封头厚度的施工图标注与计算书输入

陈 罡 杨 亮 张 光

(1.中国石油辽阳石油化纤公司机械检修部 辽阳 111003)

(2.中国石油辽阳石化公司油化厂 辽阳 111003)

封头厚度的施工图标注与计算书输入

陈 罡1杨 亮2张 光1

(1.中国石油辽阳石油化纤公司机械检修部 辽阳 111003)

(2.中国石油辽阳石化公司油化厂 辽阳 111003)

封头是压力容器的主要受压元件，其厚度决定压力容器的本质安全。通过对封头的最小成形厚度、有效厚度及名义厚度的解读，进一步探讨了封头厚度的施工图标注与SW6程序输入。认为封头名义厚度考虑“成形减薄量”时，应符合封头的制造实际；最小成形厚度取δ＋C2值为合理；SW6计算若采用“封头名义厚度”输入δmin＋C1值时，应注意保证得到正确的许用应力值。

封头 最小成形厚度 有效厚度 名义厚度

厚度是保证压力容器本质安全的主要结构尺寸,是在规定的载荷条件下,保证容器使用寿命内具有安全强度、刚度、稳定性及耐腐蚀性的基本要素,不论是规则设计还是分析设计,最终结果都落在容器的厚度要求上,尤其是规则设计中对容器封头厚度的图样标注与SW6程序计算输入,曾引起设计换证审查及同行的关注[1,2]。到目前为止,已达成共识的是施工图标注封头的两种厚度,即“名义厚度与最小成形厚度”。但由于受封头的“成形减薄量”制约,给设计的图样标注与计算输入带来难度,而如何合理进行封头厚度的图样标注与计算输入,不仅关系设计的可靠性,而且更关系制造的可行性与容器的本质安全。为此,有必要再做讨论。

1 封头厚度的解读

GB 150.1-3[3]给出了最小成形厚度、有效厚度及名义厚度等定义。相关符号如下:

δmin——最小成形厚度,mm;

δe——有效厚度,mm;

δn——名义厚度,mm;

δ ——计算厚度,mm;

C1——材料厚度负偏差,mm;

C2——腐蚀裕量,mm;

C3——成形减薄量,mm。

1.1 最小成形厚度

用δmin表示:受压元件成形后保证设计要求的最小厚度。可以理解为容器使用寿命内保证受压元件强度、刚度、稳定性及耐腐蚀性的最小厚度。

1)设计要求的最小厚度δmin,指封头的计算厚度δ与腐蚀裕量C2之和即为设计厚度:δmin=δ＋C2。对于开孔接管区尚需考虑所需的补强厚度;对于外压容器、立式或卧式容器等需要经应力校核确定的厚度,则指“满应力状态”(计算应力等于许用应力)的有效厚度与腐蚀裕量之和,此时的有效厚度等于计算厚度即δe=δ。

2)制造保证的最小厚度δmin,在给定名义厚度下,封头成形后所能达到的最小厚度,取决于“成形减薄量”。

1.2 有效厚度

用δe表示:名义厚度减去腐蚀裕量和钢板厚度负偏差C1,对于封头尚应减去“成形减薄量”C3,即δe=δn－C1－C2－C3。有效厚度决定容器元件的最大承载能力,是确定容器最高允许工作压力的重要参数。

1)若设计计算时,校核容器的强度或稳定性设定的有效厚度在“满应力状态”下即是计算厚度。

2)若从有效厚度定义看,由于“考虑加工裕量并向上圆整至材料标准规格”后确定的名义厚度存在“剩余”,此时得到的有效厚度大于“满应力状态”下的计算厚度。

1.3 名义厚度

用δn表示:设计厚度加上材料厚度负偏差后向上圆整至材料标准规格的厚度。对于设计考虑加工裕量(“成形减薄量”)确定的名义厚度即是制造时实际用的钢材厚度,此厚度不仅决定钢板的许用应力,而且更决定容器的制造技术条件。所以GB 150要求容器施工图标注名义厚度,提示制造单位不能擅自增加名义厚度。

2 封头厚度的图样标注

GB 150[3]要求设计图样注明受压元件的最小成形厚度,并规定“制造单位应根据制造工艺确定加工裕量,以确保受压元件成形后的实际厚度不小于设计图样标注的最小成形厚度”。那么,施工图如何标注“名义厚度与最小成形厚度即δn与δmin”?

2.1 δmin＝δ＋C2时的封头厚度标注

从设计角度标注的设计要求封头最小厚度δmin=δ＋C2为合理,但此时的δ应是包括开孔接管区所需的补强厚度在内满足所有载荷下强度、刚度和稳定性要求的计算厚度,对于外压容器或立式或卧式容器等需要经应力校核确定的计算厚度,则指“满应力状态”的有效厚度。

还需要注意的是,此时名义厚度的标注同样需要在δmin基础上,考虑加工裕量和钢板厚度负偏差后向上圆整至钢板标准规格的厚度。而加工裕量(“成形减薄量”)由于受封头的成形技术、材料性能等因素制约,各封头制造厂有所不同,目前封头标准[4]仅给出了资料性附录J封头成形厚度减薄率(移植JIS B8247)。所以,设计人员在标注封头名义厚度时需要合理确定封头的“成形减薄量”,并事先征得封头预订厂家的确认,以免出现名义厚度过厚的材料浪费或名义厚度满足不了加工裕量要求而需要更改设计及技术要求。

2.2 δmin＝δn-C1-C3时的封头厚度标注

从制造角度标注的制造保证封头最小厚度δmin=δn－C1－C3也有道理[1]。因为,δn－C1－C3≥δ＋C2,并且在诸如开孔补强计算、封头内压或外压稳定性校核计算、吊耳或支座局部应力及卧式容器的切向剪应力等校核计算,直接用封头的有效厚度δe=δn－C1－C2－C3进行计算,避免出现δmin=δ＋C2中δ计算厚度考虑不全面而出现安全问题。在校核计算时,只要使封头处于满应力状态:如考虑开孔补强所用去的厚度;外压稳定性校核使计算外压等于许用外压;选用吊耳或支座时,应使封头的有效厚度等于满足吊耳或支座局部应力所需的最小厚度;卧式容器使封头的切向剪应力等于许用切向剪应力等等,此时封头的有效厚度δe为所谓的计算厚度δ,即δe=δ。由此封头的最小成形厚度为δmin=δe＋C2=δn－C1－C3。

但是,大多施工图标注的封头最小成形厚度δmin=δn－C1－C3时,其有效厚度δe都大于满应力状态的计算厚度δ,并且图样中注明“封头成形厚度减薄率按GB/T 25198附录J”。由此带来既与实际计算的偏离又可能不符合制造实际。

3 封头厚度的计算输入

压力容器规则设计的计算通常采用SW6计算程序,而SW6程序中的“封头数据输入”与厚度有关的数据只有“封头名义厚度”与“腐蚀裕量”。为了在程序计算中得到真正的“有效厚度”,现行两种输入方法。

3.1 腐蚀裕量的输入

文献[1]建议:在“封头数据输入”中,“封头名义厚度”输入封头图样标注的名义厚度,而将“成形减薄量”加到“腐蚀裕量”中,这样在后续的计算中所得到的“有效厚度”才有实际意义。然后在计算书形成时注明:“腐蚀裕量包括成形减薄量”。但这样做却合理不合法,因为GB 150和SW6中没有“成形减薄量”。

3.2 名义厚度的输入

文献[2]建议:为保证施工图所标注的最小成形厚度δmin通过SW6计算,在“封头数据输入”中,采取从“封头名义厚度”输入δmin＋C1值,而“腐蚀裕量”照常输入。这样可使SW6计算得到正确的有效厚度,以完成后续计算。但由于δmin＋C1＜δn,当所用钢板厚度“跨档”时,会出现程序所取的许用应力值高于实际所用钢板许用应力值,使计算结果“冒进”影响封头本质安全。对于文献[1]中的实例:封头EHA1200x18(15.5)-Q245R GB/T 25198,就会出现程序许用应力超高问题,因为,此时δmin＋C1=15.8mm,小于δn=18mm,程序所取的钢板许用应力按厚度3～16档取值,而不是按厚度＞16～36档取值。所以,当所用钢板厚度“跨档”时,需要设计人员另外输入钢板的实际许用应力。

4 结束语

压力容器封头的厚度在图样中应标注“名义厚度与最小成形厚度”,而在SW6计算输入时应保证得到正确的有效厚度与许用应力。

1)名义厚度应合理考虑“成形减薄量”,并经封头制造厂确认,以避免制造时不符合实际而更改设计及技术要求;

2)最小成形厚度取δ＋C2值为合理,但δ应是包括开孔接管区所需的补强厚度在内满足所有载荷下强度、刚度和稳定性要求的计算厚度;

3)SW6计算输入时,若采用“封头名义厚度”输入δmin＋C1值,应注意保证得到正确的许用应力值。

[1] 李春光，关庆贺．封头最小成形厚度的施工图标注与计算书输入[J]．中国特种设备安全，2014，30(07)：39-41．

[2] 龚国荣．封头成形减薄量与设计计算一致性的探讨[J]． 机电信息，2011(26)：42-45．

[3] GB 150—2011 压力容器器[S]．

[4] GB/T 25198—2010 压力容器封头[S]．

Construction Drawing Mark and Calculation Input of Pressure Vessel Head Thickness

Chen Gang1Yang Liang2Zhang Guang1
(1. Petrochina Liaoyang Petrochemical Fibre Company Machinery Maintenance Department Liaoyang 111003)
(2. Petrochina Liaoyang Petrochemical Company Oil Chemical Plant Liaoyang 111003)

Head, whose thickness influences intrinsic safety of pressure vessels, are as main pressure components for pressure vessels. Through the interpretation of minimum required fabrication thickness, effective thickness and nominal thickness for heads, construction drawing labeling and SW6 program input of heads thickness have been discussed further. The conclusion is that, nominal thickness of heads should conform to manufacturing practice when forming thickness reduction has been considered, or it is rational that minimum required fabrication thickness is δ plus C2, or care must be taken to assure that correct allowable stress value should be got when δminplus C1is used as input for nominal thickness of heads in the SW6 calculation.

Heads Minimum required fabrication thickness Effective thickness Nominal thickness

X933.4

B

1673-257X(2017)11-0071-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.11.019

陈罡（1971～)，男，本科，高级工程师，从事压力容器及管道建造工作。

张光，E-mail： zhangguang-ly@petrochina．com．cn。

2017-04-17）