U型夹套容器封口锥的设计

刘 旭

（四川泸天化弘旭工程建设有限公司，四川 泸州 646300）

0 引 言

U型夹套容器是整体夹套容器之一种（如图1所示），内容器的圆筒部分和下封头都包有夹套，形成U型结构。相对于各类整体夹套容器而言，U型夹套容器结构简单、制造方便，在工程实际中应用最为广泛。我国现行的有关标准或规范中对U型夹套容器与内容器的封闭部位只有结构设计的相关规定，而没有具体的强度计算说明，因此在U型夹套容器设计工作中，夹套与内容器的封闭部位（封口锥或封口环）常常被工程技术人员忽视，为简化设计，大多取与夹套筒体相同的壁厚进行设计及制造，但事实上这样做是不合理的。由于夹套封闭件与夹套筒体是2种结构不同的元件，2种结构所引起的应力值是不一样的，因此封闭件应单独进行设计。以下笔者以U型夹套封口锥为例对夹套封闭件的设计作一简介。

1 封口锥的材料选择及结构设计

1.1 封口锥的材料选择

封口锥的材料一般选用与夹套筒体相同的材料；当夹套与内容器材料不同或容器需进行热处理时，封口锥的材料应选用与内容器相同的材料。

图1 U型夹套容器示意图

1.2 封口锥的结构设计

封口锥的结构可分为带圆弧过渡和不带圆弧过渡2种，如图2所示（图中：Rs为内容器筒体外直径，mm；Rj为夹套筒体内直径，mm；其余符号之意义见下文表1）；封口锥可以做成与夹套筒体为整体结构或采用全焊透的结构（可使用垫板）。

图2 封口锥结构示意图

1.2.1 带圆弧过渡的封口锥

带圆弧过渡的封口锥如图2（a）所示，因其结构具有良好的加工工艺性和较高的承载能力，故设计中应优先选用。

带圆弧过渡的封口锥与夹套筒体为整体结构时，因制作成本较低，常用于单件生产的夹套容器；当内容器的公称直径≥2000mm，或夹套与内容器材料不同，或容器有热处理要求时，封口锥与夹套筒体常采用全焊透结构。

1.2.2 不带圆弧过渡的封口锥

不带圆弧过渡的封口锥如图2（b）所示，其制作简单，但承载能力不强，主要用于设计条件要求不高的夹套容器。

2 封口锥的焊接接头设计

2.1 带圆弧过渡的封口锥焊接接头设计

带圆弧过渡的封口锥，其小端的角焊缝采用全焊透结构；大端与夹套筒体的对接焊缝采用单面焊双面成形的全焊透结构，或带垫板的单面焊全焊透结构。单面焊双面成形的全焊透结构，焊缝需要返修时返修操作难度较大；带垫板的单面焊全焊透结构，焊缝质量较高，易焊透易夹渣，焊缝需要返修时返修操作较容易，故设计中采用较多。

对于有热处理要求的容器，应将容器与带圆弧过渡的封口锥焊接完毕后，整体容器进行热处理。

2.2 不带圆弧过渡的封口锥焊接接头设计

不带圆弧过渡的封口锥，其小端的角焊缝采用全焊透结构，大端与夹套筒体的对接焊缝采用单面焊双面成形的全焊透结构。

3 封口锥的几何尺寸设计

3.1 封口锥大、小端内直径的确定

封口锥大端内直径与夹套筒体内直径相同；封口锥小端内直径设计时应考虑内容器筒体卷制时出现的不圆度，以及封口锥与内容器筒体之间留有的装配间隙，其小端内直径应比内容器外径大2～3mm。

3.2 封口锥壁厚的确定

我国现行的标准或规范中对U型夹套容器封口锥只有结构型式选择的要求，没有强度计算说明。原标准《机械搅拌设备》（HG／T20569—1994）对封口锥的强度计算移植了原苏联国家标准《夹套容器强度计算规范》，但有关文献介绍按上述方法设计所得的封口锥壁厚过于保守。新版《机械搅拌设备》（HG／T20569—2013）中，删除了这部分内容，仅在其附录B.3.3第5条中要求封口锥的计算按《压力容器》（GB／T150.3—2011）关于夹套封闭件结构的规定执行；而GB／T150.3—2011附录D中，仅用图示（见图D.22）表示封口锥壁厚≥夹套壁厚即可，没有给出封口锥壁厚的具体计算方法。

封口锥实际上可以看作是锥形封头的一部分，因此可以应用GB／T150.3—2011中带折边或不带折边的锥形封头计算公式进行封口锥的强度（壁厚）计算。

3.2.1 设计计算中涉及到的参数符号（表1）

3.2.2 带圆弧过渡的封口锥壁厚计算

（1）内压作用下封口锥的锥壳计算厚度

（2）内压作用下封口锥锥壳大端计算厚度

①过渡段厚度

②与过渡段相接处锥壳厚度

（3）内压作用下封口锥锥壳小端计算厚度封口锥锥壳小端与内容器外壁相焊接，此时封口锥与内容器圆筒连接处变形协调产生的附加应力较小，不会影响锥壳的计算厚度，因此封口锥锥壳小端计算厚度可近似等于封口锥的锥壳计算厚度，按公式（1）计算即可。

（4）内压作用下带圆弧过渡封口锥名义厚度

若δn≤δj［图2（a）中所示夹套筒体的名义厚度］，则带圆弧过渡的封口锥名义厚度为δj。

若δn＞δj［图2（a）中所示夹套筒体的名义厚度］，则带圆弧过渡的封口锥名义厚度为δn。

3.2.3 不带圆弧过渡的封口锥壁厚计算

3.2.3.1 内压作用下封口锥锥壳大端计算厚度

首先按GB／T150.3—2011图5－11确定锥壳大端是否需在连接处加强。

（1）无需加强时锥壳大端计算厚度按公式（1）计算得到δc。

（2）需加强时锥壳大端计算厚度

（3）需要加强时锥壳大端加强段的长度

若L≤j／sinθ［如图2（b）所示］，则锥壳大端加强段的长度为j／sinθ。

若L＞j／sinθ［如图2（b）所示］，则锥壳大端加强段的长度为L。

3.2.3.2 内压作用下封口锥锥壳小端计算厚度

封口锥锥壳小端与内容器外壁相焊接，此时封口锥与内容器圆筒连接处变形协调产生的附加应力较小，不会影响锥壳的计算厚度，因此封口锥锥壳小端计算厚度可近似等于封口锥的锥壳计算厚度，按公式（1）计算即可。

3.2.3.3 内压作用下封口锥名义厚度

（1）锥壳大端连接处无需加强时的名义厚度

若δn≤δj［图2（b）中所示夹套筒体的名义厚度］，则不带圆弧过渡的封口锥名义厚度为δj。

若δn＞δj［图2（b）中所示夹套筒体的名义厚度］，则不带圆弧过渡的封口锥名义厚度为δn。

（2）锥壳大端连接处需加强时的名义厚度

若δn＞δj，则夹套筒体与封口锥大端连接的端部应该增设一段名义厚度为δn、长度为（2DiLδr）0.5的加强段，且不带圆弧过渡的封口锥名义厚度为δn。

若δn=δj，则夹套筒体与封口锥大端连接的端部无需增设加强段，不带圆弧过渡的封口锥名义厚度为δn。

如果δn＜δj，则夹套筒体与封口锥大端连接的端部无需增设加强段，不带圆弧过渡的封口锥名义厚度为δj。

4 结束语

综上所述，在U型夹套容器封口锥设计时，只有仔细分析夹套容器的特点及要求，合理选用封口锥的结构，才能设计出经济上合理、技术上可行的封口锥。不少工程技术人员采用夹套筒体相同壁厚进行封口锥设计是不安全的，封口锥设计必须进行强度（壁厚）计算。