壓力容器封頭壁厚設(shè)計(jì)探討

潘 斌

（大慶油田裝備制造集團(tuán)，黑龍江大慶 163000）

0 引言

壓力容器的設(shè)計(jì)一定要根據(jù)壓力容器的實(shí)際使用環(huán)境、使用方法等，充分考慮壓力、溫度、介質(zhì)等影響因素，同時(shí)要充分考慮壓力容器使用材料的剛度、強(qiáng)度，保障壓力容器生產(chǎn)使用過(guò)程中的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等。殼體厚度的設(shè)計(jì)是壓力容器眾多設(shè)計(jì)參數(shù)中的重中之重，直接影響壓力容器使用的穩(wěn)定性、強(qiáng)度和剛度，同時(shí)也影響壓力容器的使用安全性，所以要高度重視壓力容器殼體厚度的設(shè)計(jì)，滿足國(guó)家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

壓力容器封頭厚度的設(shè)計(jì)過(guò)程，流程比較繁瑣，涉及的內(nèi)容也比較多，主要包括對(duì)各類厚度的計(jì)算，如最小形成厚度、名義厚度、設(shè)計(jì)厚度以及有效厚度等，實(shí)際加工時(shí)還應(yīng)科學(xué)合理控制材料厚度和成品最小厚度等。按照國(guó)家的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，壓力容器封頭成品的最小厚度一定要大于最初壓力容器封頭設(shè)計(jì)的最小成形厚度。目前我國(guó)新的標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)壓力容器封頭的各種厚度關(guān)系、設(shè)計(jì)流程有著明確的規(guī)定，保障合理設(shè)計(jì)壓力封頭及科學(xué)的壁厚，提升整體的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1 GB 150—2011 封頭厚度要求

1.1 壁厚定義

針對(duì)壓力容器封頭壁厚，在GB 150—2011《壓力容器 通用要求》中有著明確的解釋，其中計(jì)算厚度使用δ 表示，使用標(biāo)準(zhǔn)中的公式就能計(jì)算得出；設(shè)計(jì)厚度使用δd表示，為腐蝕裕量C2與計(jì)算厚度δ 相加；名義厚度使用δn表示，為材料厚度負(fù)偏差C1與設(shè)計(jì)厚度δd相加，相加的結(jié)果與材料規(guī)格厚度要求相符合；名義厚度δn與腐蝕裕量C2和材料厚度負(fù)偏差C1之間的差值為有效厚度δe；受壓元件成型后的最小厚度為最小成形厚度δmin。最小成形厚度的定義在GB 150.1—2011 中給予說(shuō)明，也明確規(guī)定了壓力容器最小成形厚度要求。

1.2 成形要求

壓力容器生產(chǎn)制造單位對(duì)加工余量的確定一定要符合GB 150—2011 中第6.1.1 條規(guī)定，在實(shí)際生產(chǎn)中，受壓元件的實(shí)際厚度不能比設(shè)計(jì)的最小成形厚度小。最小成形厚度是GB 150—2011 新引入的一個(gè)名詞，壓力容器的最小成形厚度是保障壓力容器剛度、強(qiáng)度、使用壽命的重要數(shù)據(jù)參數(shù)，最小成形厚度的引入，可以實(shí)現(xiàn)壓力容器在生產(chǎn)制作過(guò)程中避免出現(xiàn)二次圓整，為企業(yè)節(jié)省制作成本。最小成形厚度的定義與計(jì)算厚度的含義有著密切的關(guān)系，重要表示殼體設(shè)計(jì)成型后的最小厚度。計(jì)算厚度的計(jì)算主要是依據(jù)國(guó)標(biāo)中的相應(yīng)計(jì)算公式得出的，這其中的計(jì)算厚度包括了壓力容器筒體、封頭、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)、支座等各種零部件的厚度，同時(shí)還要充分考慮載荷的強(qiáng)度與剛度，計(jì)算出的厚度要取最大值。所以，最小成形厚度為計(jì)算厚度與腐蝕裕量之和。

1.3 成形后不包括腐蝕裕量的最小厚度

GB 150—2011 中對(duì)最小厚度的定義有著明確的規(guī)定，規(guī)定中指出壓力容器殼體的最小厚度一定要滿足壓力容器制造、運(yùn)輸中的剛性需求。上一版的標(biāo)準(zhǔn)中只是要壓力容器最小厚度進(jìn)行原則性規(guī)定，碳鋼、低合金鋼滿足δmin≥3 mm 的要求，高合金鋼滿足δmin≥2 mm 的要求，沒(méi)有充分的考慮到壓力容器的結(jié)構(gòu)、運(yùn)輸、安裝等因素對(duì)其產(chǎn)生的影響。國(guó)標(biāo)中對(duì)橢圓封頭、蝶形封頭受內(nèi)壓作用下的最小厚度進(jìn)行了明確的規(guī)定，最小厚度的確定主要是避免橢圓封頭、蝶形封頭在內(nèi)壓的作用下出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象。所以橢圓封頭、蝶形封頭按照國(guó)標(biāo)中的要求，最小厚度要大于有效厚度。一般情況下?lián)Q熱器采用的都是臥式耳座與支座，有著較大的自重，想要降低支座局部產(chǎn)生的較大應(yīng)力，就要明確U 形管換熱器、浮頭式換熱器和固定管板換熱器殼體最小厚度。

1.4 標(biāo)注要求

GB 150.1—2011 有效完善了設(shè)計(jì)過(guò)程中關(guān)于最小成形厚度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2 GB/T 25198—2010 封頭厚度要求

2.1 壁厚定義

通常將壓力容器封頭投料的厚度定義為封頭材料厚度，使用δs表示，也可以理解為其與材料質(zhì)量證明書(shū)內(nèi)的規(guī)格厚度相同，成品最小厚度可以代替實(shí)際厚度最小值，使用δ'min表示。

2.2 成形要求

設(shè)計(jì)封頭的毛坯厚度時(shí)，一定要充分按照GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》中6.2.1 和6.3.13 的規(guī)定執(zhí)行，基于工藝減薄量方面考慮，得到的封頭成品其實(shí)際最小厚度一定要大于最小成形厚度，才能滿足要求。

2.3 標(biāo)注要求

GB/T 25198—2010 中對(duì)壓力容器封頭設(shè)計(jì)中的最小成形厚度標(biāo)注有明確的規(guī)定。

3 封頭各種厚度關(guān)系

圖1 為設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，封頭不同厚度之間的關(guān)系。

圖1 各種厚度相互關(guān)系

在設(shè)計(jì)封頭方面，主要的厚度包括以下6 種：

（1）設(shè)計(jì)厚度δd=δ+C2。

（2）名義厚度δn=δd+C1+Δ1=δ+C1+C2+Δ1。

（3）有效厚度δe=δn－C1－C2=δ+Δ1。

（4）最小成形厚度δmin=δn－C1=δ+C2+Δ1。

（5）厚度附加量C=C1+C2。

（6）制造過(guò)程中的厚度有：成品最小厚度δ'min=δn－C1+Δ2=δ+C2+Δ1+Δ2；封頭材料厚度δs=δn+Δ2+C3=δ+C1+C2+Δ1+Δ2+C3。

對(duì)以上公式分析和研究后發(fā)現(xiàn)，為了成品最小厚度不小于最小成形厚度，廠家在設(shè)計(jì)厚度時(shí)一般會(huì)考慮加工減薄量，將其與名義厚度的和來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再圓整到符合鋼板規(guī)格的厚度，這時(shí)的厚度就是壓力容器封頭的實(shí)際材料厚度。加工減薄量是壓力容器封頭設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造過(guò)程中的重要數(shù)據(jù)參數(shù)。在圓整厚度的過(guò)程中，還要充分的考慮到強(qiáng)度因素，封頭有開(kāi)口時(shí)，計(jì)算出開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)，沒(méi)有開(kāi)口時(shí)可能出現(xiàn)材料的浪費(fèi)，同時(shí)在圓整厚度的過(guò)程中，可能出現(xiàn)板厚跳檔的現(xiàn)象，對(duì)壓力容器封頭設(shè)計(jì)的合理性、經(jīng)濟(jì)性有所影響。因此需要根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)壓力容器封頭設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制作過(guò)程中各種厚度之間的關(guān)系進(jìn)行分析、明確，對(duì)封頭最小成形厚度進(jìn)行科學(xué)合理的計(jì)算是十分重要的。

4 封頭最小成形厚度計(jì)算

實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，主要包括橢圓封頭、球冠形封頭和蝶形封頭等幾類封頭形式，下面以比較常見(jiàn)的橢圓封頭為例，簡(jiǎn)述設(shè)計(jì)橢圓封頭壁厚的相關(guān)設(shè)計(jì)過(guò)程。

4.1 無(wú)開(kāi)孔的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的厚度

依據(jù)GB150—2011 中5.3.2 條規(guī)定，可通過(guò)下式來(lái)進(jìn)行厚度計(jì)算：

最小成形厚度δmin=δ+C2。

4.2 有開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的厚度

GB 150—2011 的6.3.3.2 中規(guī)定，在以橢圓封頭中心為基準(zhǔn)，其直徑值的80%范圍內(nèi)，厚度的計(jì)算公式如下：

最小成形厚度δmin=δ+C2+Δ1，第一次圓整量Δ1可以全部補(bǔ)強(qiáng)材料來(lái)分析。

在以橢圓封頭中心為基準(zhǔn)，其直徑值的80%范圍外，厚度的計(jì)算公式如下：

最小成形厚度δmin=δ+C2。

4.3 內(nèi)壓彈性失穩(wěn)要求下的壁厚

橢圓封頭的長(zhǎng)軸、短軸長(zhǎng)度按照GB 150—2011 中規(guī)定，比值小于2 時(shí)，橢圓封頭的有效厚度要大于封頭內(nèi)直徑的0.15%，所以有效厚度、最小成形厚度在內(nèi)壓彈性失穩(wěn)的影響下，分別為δe≥0.15%Di、δmin=0.15%Di+C2。

4.4 封頭最小成形厚度

以上3 種情況是目前比較常用的確定壓力容器封頭厚度的方式，分別取3 種情況下的最大值為封頭的最小成形厚度，封頭有開(kāi)口的情況下最小成形厚度δmin=max（δ+C2，δ+C2+Δ1，0.15%Di+C2），在沒(méi)有開(kāi)口時(shí)，封頭最小成形厚度δmin=max（δ+C2，0.15%Di+C2）。

5 封頭厚度合理設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)壓力容器封頭厚度的過(guò)程中，一定要充分考慮到其經(jīng)濟(jì)性、安全性，壓力容器封頭材料厚度的確定一定要以最小成形厚度為基準(zhǔn)，目前比較常用的壓力容器厚度計(jì)算軟件為SW6，可以通過(guò)以下公式有效計(jì)算出各類厚度：

最小成形厚度的確定還要根據(jù)封頭上是否存在開(kāi)口，如果存在開(kāi)口，就要計(jì)算開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)，最終輸入的厚度不是名義厚度，而是最小成形厚度。根據(jù)GB/T 25198—2010 的規(guī)定，在封頭最小成形厚度確定的情況下，封頭圓整材料厚度需要根據(jù)封頭成形厚度減薄率或制造廠實(shí)際工藝減薄率，這樣的情況下，壓力容器封頭的厚度與名義厚度相比較更薄，節(jié)省材料成本。通過(guò)對(duì)壓力容器封頭材料厚度、最小成形厚度的科學(xué)合理計(jì)算，封頭的強(qiáng)度、剛度、使用安全、使用壽命都符合國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)為企業(yè)節(jié)省材料成本，符合我國(guó)提倡的節(jié)能減排政策。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上的分析研究，在壓力容器封頭的設(shè)計(jì)過(guò)程中安全是前提，但是安全也需要與設(shè)計(jì)、制造緊密結(jié)合，應(yīng)在保障安全的基礎(chǔ)上，采用科學(xué)合理的方式設(shè)計(jì)壓力容器封頭厚度，準(zhǔn)確計(jì)算出壓力容器封頭的最小成形厚度。