压力容器中厚存度变化对强度的影响

河南省化工压力容器检测中心站 宋前进 李彦伟

压力容器中厚存度变化对强度的影响

河南省化工压力容器检测中心站 宋前进 李彦伟

目前，压力容器设计时依据GB150-98《钢制压力容器》（以下简称GB150-98），是我国普遍遵循的原则。一般情况下，板厚增加，容器强度会提高，但有时反而会降低强度。如何按照该标准进行厚度的恰当选取，以更好地满足强度需求，对压力容器设计具有重要意义。本文，笔者阐述了当图样设计厚度处于相应材料厚度范围临界值时，不同材料许用应力随板厚变化而变化的问题。

一、压力容器厚度的定义

GB150-98规定，计算厚度是指按各章公式计算得到的厚度；设计厚度是指计算厚度与腐蚀裕量之和；名义厚度指设计厚度加上钢板厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格厚度，即标注在图样上的厚度；有效厚度指名义厚度减去腐蚀裕量和钢板厚度负偏差。我们这里讨论的厚度是名义厚度。从定义中可以看出，名义厚度不包括加工减薄量。元件的加工减薄量由制造单位根据各自的加工工艺和加工能力自行选取，只要保证产品的实际厚度不小于名义厚度减去钢材厚度负偏差就可以。这样可以使制造单位根据自身条件调节加工减薄量，从而更加主动地保证产品强度所要求的厚度。

二、压力容器厚度变化与强度的关系

按照GB150-98等国家标准，制造工艺人员要根据图样厚度考虑加工减薄量而增加制造元件的毛坯厚度。在我国材料标准中，钢板厚度范围变化，钢板的σb、σs也有变化，一般是板厚增加，σb、σs有所降低。我国压力容器用钢板许用应力随板厚厚度范围增厚而有所降低，因而可能出现板厚增加，强度反而降低的现象，尤其是封头，这种现象更为明显。为了证明上述现象存在，笔者列举了两种材质的情形。

1.材质为15MnVR。某台储气罐，其封头为标准椭圆形，材质为15MnVR，设计内径Di=2 000mm，腐蚀裕度C2=1mm，焊缝系数φ=1，设计压力P=2.6MPa，设计温度t=20℃，标准椭圆封头形状系数K=1，侧视图样上封头名义厚度δn=16mm。制造厂选用18mm厚度钢板压制封头，该制造厂压制封头时最大成型减薄量为δ×10%，即1.8mm（包含钢板厚度负偏差在内）。

（1）选用18mm厚度钢板压制封头，满足GB150-98设计要求。15MnVR钢板厚度负偏差C1=0.25mm，封头成型后最小厚度δmin=16.2mm，图样厚度－钢板厚度负偏差=15.75mm，即满足GB150-98的要求。

（2）16mm图样厚度满足设计强度要求。对图样封头厚度16mm进行强度校核，由GB150-98（7-1）椭圆封头厚度计算公式（标准椭圆K=1）和GB150-98表4-1，16mm厚度的15MnVR的[σ]=177MPa，则封头计算厚度：考虑腐蚀裕量C2=1mm，封头设计厚度δa=δ+C2=15.74mm。再考虑钢板厚度负偏差C1=0.25mm，δa+C1= 15.99mm。现图样厚度B=16mm＞15.99mn，即满足设计强度要求。

（3）板厚增加，强度反而不符合要求。虽然制造时考虑加工成型减薄量，增加了压制封头钢板厚度，满足GB150-98封头最小厚度≧图样厚度-钢板厚度负偏差的要求，但由GB150-98表2-1查18mm厚度的15MnVR封头材料的许用应力[δ]=170MPa，此时，封头计算厚度：考虑腐蚀裕度C2=1mm，则封头设计厚度δb=15.35+1=16.35mm。现封头成型后最小厚度（包含钢板厚度负偏差在内）为：16.2mm＜封头设计厚度16.35mm，即不满足设计强度要求。

2.材质为15MnNiDR。某低温反应容器（t=25℃）的球形封头材质为15MnNiDR，图样厚度为20mm，设计压力P=7.65MPa，设计内径Di=1 500mm，腐蚀裕度C2=1mm。制造厂选用22mm钢板压制球形封头，该制造厂压制封头时最大成型减薄量（包含钢板厚度负偏差在内）为δ×12%=2.64mm。

（1）选用22mm厚度钢板压制球形封头，满足GB150-98要求。22mm厚度的15MnNiDR钢板厚度负偏差为0.8mm，封头成型后最小厚度（包含钢板厚度负偏差在内）δmin=19.36mm＞图样厚度－钢板厚度负偏差=19.2mm，即选用22mm厚度钢板压制球形封头，满足GB150-98要求。

（2）20mm图样厚度满足设计要求。对图样球形封头厚度进行强度校核，由GB150-98（5-5），考虑腐蚀裕度C2=1mm，则封头设计厚度δb=18.8mm，再考虑钢板厚度负偏差C1=0.8mm，δa+C1=19.6mm＜20mm图样厚度，即图样厚度20mm满足设计强度要求。

（3）板厚增加，强度反而不符合要求。虽然制造时考虑加工成型减薄量，增加了压制封头钢板厚度，满足了GB150-98封头最小厚度≧图样厚度-钢板厚度负偏差的要求，但由于钢板厚度增加后[σ]由163MPa降至157MPa，此时，球型封头计算厚度：考虑腐蚀裕度C2=1mm，则球形封头设计厚度δa=δ+C2=19.5mm。现封头成型后最小厚度δmin=19.36mm＜19.5mm，故不能满足设计强度要求。

以上实例说明，若不考虑板厚增加、材料力学性能降低这一因素，将可能制造出强度不够的不合格受压元件。除了上述两例材质外，还有其他多种钢种，如16MnR，16MnDR等的力学性能均随厚度范围变化。因此，设计人员在选用我国钢板进行设计时，应充分考虑材料许用应力随板厚范围变化而变化的问题。尽可能采用增加最小厚度值的方法，以使制造工艺人员为弥补加工减薄量而增加板厚时，受压元件成型后最小厚度仍能满足设计强度的要求。