应用SW6设计软件计算压力容器应注意的几个问题

(中石化宁波工程有限公司 上海分公司， 上海 200030)

SW6-2011 v3.1软件是压力容器设计人员常用的设备强度计算工具。作为一款计算软件, SW6中不可避免地隐含了一些技术假定。这些技术假定对于软件的应用非常重要，GB/T 150.1～150.4—2011《压力容器》[1]在引言部分就特别指出，设计人员在借助计算机程序进行压力容器的分析或设计时，应确认程序中技术假定的合理性、程序对设计内容的适应性以及输入参数及输出结果用于工程设计的正确性。文中就实际工作中遇到的一些压力容器强度计算的问题，结合相关标准条文进行分析和讨论，并给出了运用SW6进行计算时的建议。

1 压力容器封头计算

1.1 封头最小成型厚度校核

GB/T 150.1中4.3.8和GB/T 25198—2010《压力容器封头》[2]均要求设计图样中标注封头的最小成型厚度。此规定主要是出于方便制造时控制投料厚度考虑，如果封头坯料厚度比实际所需的厚度大得多，不仅浪费材料，而且还可能出现许用应力跳挡，即板材厚度增加而实际许用应力下降导致的强度不足等问题[3]。从设计的角度来说，最小成型厚度是强度上所允许的最小厚度，至少应满足封头本体及在封头上开孔的强度要求。设计中通常以GB/T 25198—2010附录J提供的封头成型厚度减薄率为参考，采用下式计算最小成型厚度δmin，并验算其强度。δmin在任何情况下都不能小于封头厚度计算值与腐蚀裕量的和。

δmin=(δn-C1)×(100%-S)+Δ

式中，δn为名义厚度，C1为厚度负偏差，Δ为设计余量(类似于平台或管道支架、顶部吊耳等附件作用在封头上会产生局部应力，必要时应有一定的设计余量)，mm；S为厚度减薄率，%。

在SW6的计算中，部分设计者会将上述δmin直接作为封头名义厚度输入，但有些情况下这种做法会出现许用应力向上跳挡的情况，导致计算错误。例如，某一标记为EHA 1200×18(15.6) 的标准椭圆封头，材质为Q245R，设计温度为200 ℃，若将15.6 mm作为封头的名义厚度在SW6中进行计算，程序按15.6 mm的厚度给出的材料许用应力为131 MPa，此软件计算值大于从GB/T 150.2表2中查到的18 mm厚Q245R材料的实际许用应力124 MPa。

合理的作法是将封头的减薄量，即封头名义厚度与最小成型厚度之差计入腐蚀裕量C2后输入到程序中计算，这样就可以避免上述许用应力向上跳挡的问题。另外，应该在计算书中注明腐蚀裕量中包括封头减薄量，以免引起误解。

1.2 无缝封头焊接接头系数

在GB/T 150.1中，表征焊接接头可靠性的焊接接头系数φ是根据A、B类对接接头的特点及无损检测长度比例确定的[4]。具体到整张钢板压制的小直径标准椭圆封头，通常认为封头本体不存在经向的焊缝，所以内压作用下封头厚度计算式中的焊接接头系数φ取1.0[5]。

ASME VIII-1《ASME boiler and pressure vessel code》[6]中规定，若封头与筒体连接的环焊缝(B类接头)不进行无损检测或为单面焊，无缝封头的φ取0.85。ASME VIII-1将无缝封头视为具有A类接头且经100%无损检测的等效有焊缝封头，并认为实际结构中A类接头往往与B类接头相交，B类接头的质量会影响A类接头的承载能力[7]。

SW6中将封头、筒体视为2个基本受压元件分开计算。但设计者应注意，封头并不是1个孤立的元件，而是设备整体的一部分，它与筒体之间连接的可靠性会影响承载能力。所以，如果封头与筒体间的环焊缝无法进行无损检测或不能保证全焊透，在SW6计算中，无缝封头的φ值宜取0.85。在这点上，ASME的考虑较为全面。

2 立式容器卧置液压试验校核

2.1 卧置时直径方向上的液柱静压

GB/T 150.1的4.6.2.1 a)条要求，若立式容器采用卧置液压试验，试验压力应计入立置试验时的液柱静压。此规定考虑了实际试验时设备放置状态对设备承压能力的影响，有确保卧置试验对设备的超压考验水平不低于立置试验和保证耐压试验效果的作用。

对于直径较大的立式设备，不仅要满足上述规定要求，还应考虑直径方向的液柱静压力。以大直径塔器的卧置试验(图1)为例，卧置试验压力pT′为立置试验压力pT与高度为H的液柱静压的和。pT′为此时设备顶部(图1中A点)的压力，而此时设备底部(图1中B点)实际所受的压力pT″为pT′与高度值等于塔体直径D的液柱静压的和。

图1 塔器卧置试验

在SW6软件的塔器计算模块中，程序会自行对pT和pT′试验压力下的应力进行校核。但却没有将B点等处在pT″压力作用下的应力水平纳入考虑。事实上，对于筒体上的B点等处，如果pT″大于1.35倍的计算压力pc，按GB/T 150.1的4.6.3条进行的应力校核则有可能是不合格的。这一结论的推导过程如下，其中各符号意义、单位均与GB/T 150.3相同。

由GB/T 150.3可知，正确设计的圆筒在设计温度下其计算的应力满足公式：

2.2 灵活运用SW6进行校核

SW6软件中，pT由程序给出也可由用户自行输入，而pT′则由程序自行将高度为H的液柱静压加至pT上，所以pT′是无法修改的。对于需要考虑直径方向液柱静压力的大直径立式设备，设计人员可以将高度为D的液柱静压加到pT上并选择自行输入，从而实现利用SW6软件中pT′计算快捷获取实际所需pT″计算值的目的。

3 压力容器设备法兰计算

3.1 标准容器法兰不能免除计算情形

GB/T 150.3中的第7.1.1条规定，当选用JB/T 4700～4707—2000 《压力容器法兰》[8](最新版编号为NB/T 47020～47027—2012《压力容器法兰、垫片、紧固件》[9]，下文简称标准容器法兰)标准法兰时，可免除法兰强度计算。但这种免除是有前提的，如果所选的标准容器法兰的材料、载荷等不符合NB/T 47020～47027的规定，那么对于出于任何原因提出的法兰螺柱材料代用要求，设计人员都应进行强度校核。

标准容器法兰的最大允许工作压力，是基于NB/T 47020中材料的选用规定及法兰、垫片、螺柱、螺母材料匹配表来确定的[10]。同时，由GB/T 150.3中的式(7-11)可知，预紧状态下的法兰力矩由螺柱的许用应力决定，以螺柱满强度承载时的载荷作为预紧载荷[7，11]。对于所受压力较低且设计力矩由预紧工况决定的法兰，如果改用强度较高的螺柱，虽然螺柱的承载能力提高了，但法兰的各项应力也会增加。

此外，还有一种不能免除法兰强度计算的情况。GB/T 151—2014《热交换器》[12]的7.1.1.2条要求，当热交换器的管箱设有分程隔板时，还应计入分程隔板垫片产生的反力。目前通常的作法是，按照外周垫片反力的计算方法计算反力数值，直接叠加到外周垫片反力上[13]。SW6中标准容器法兰强度未计入分程隔板垫片产生的反力，因此若选用多管程热交换器且管箱法兰的配置为标准容器法兰时，也应进行强度校核。

3.2 SW6计算时应注意问题

在长颈对焊法兰的SW6计算中应注意，因为程序没有腐蚀裕量输入框选项，无法输入腐蚀裕量，所以输入的法兰内径、大端厚度和小端厚度数值均应事先扣除腐蚀裕量。另外SW6默认M36、M42、M48螺柱的螺距分别为M36×4、M42×4.5和M48×5，而NB/T 47027中这几种规格螺柱的螺距均为3，所以在计算时应基于实际的螺距查GB/T 196—2003《普通螺纹 基本尺寸》[14]确定螺柱根径。

4 压力容器平盖开孔补强计算

4.1 平盖开多孔补强方法

4.1.1方法介绍

按照GB 150—1998《钢制压力容器》[15]，开孔直径d小于0.5倍平盖直径Do的平盖开孔，不区分单孔和多孔，均有2种补强方法，即外加补强元件法和增加平盖厚度法。外加补强元件法要求最小补强面积A=0.5dδp，其中δp为平盖计算厚度。增加平盖厚度法要求将平盖厚度计算式中的系数K改为K/υ(其中υ为削弱系数)，按下式计算。

式中，Dc为平盖计算直径，Σb为平盖危险径向截面上各开孔宽度总和。

按照GB/T 150—2011，单孔采用等面积方法补强，多孔采用增加平盖厚度法补强。计算多孔补强时，修正平盖厚度计算系数K的方法与GB 150—1998不同。 过程分2步进行，①根据系数K数值确定系数K1。当K<0.3时，K1=K；当K≥0.3时，K1=0.3。②根据K1/υ的计算值修正K值。当K1/υ≤0.5时，如K1/υ>K，则以K1/υ代替K，否则K保持初始值不变。

4.1.2发现的问题和建议

应用GB/T 150—2011方法计算多孔平盖厚度时，发现该方法在某些情况下使用不太合理。

例如，由GB/T 150.3表5-9可知，序号9和10的螺栓连接圆形平盖，其操作状态下系数K总是大于0.3。同时，对于设计压力较低、螺栓强度较高的结构，其预紧状态时的K通常大于操作状态，这种情况K1取0.3。在开孔削弱系数υ≥0.6，即多个开孔直径之和小于40%的平盖计算直径时，有K1/υ≤0.5。此时若平盖的系数K>0.5，则有K1/υ0.5和υ≥0.6的情况下，不开孔和开多个孔的平盖计算厚度是一样的。

又如，标记为BL 300-600 RJ 16MnIII的HG/T 20615—2009《钢制管法兰(Class系列)》[16]中的法兰盖，同一横截面上多个开孔直径之和最大为150 mm，选用不锈钢制金属环形垫，螺柱35CrMoA，设计压力3.6 MPa，设计温度260 ℃,平盖计算直径为垫片压紧力作用中心圆直径381 mm，υ为0.61，预紧状态K=0.88，操作状态K=0.54。则K1取0.3，有K1/υ=0.49

因此建议，对于采用GB/T 150.1～150.4—2011方法计算厚度的多孔平盖，若预期应用为高温、高压或介质危害程度较大等重要场合，则有必要参考GB 150—1998或其他权威国际标准对计算结果进行复核[17]。

4.2 平盖开单孔补强计算

在工程实际中，小直径平盖的单孔补强通常也采用增加平盖厚度法计算。这个增加的厚度为所需的补强圈厚度，而不是另外单独设置补强圈。这是一种变通做法，主要考虑减少焊接工作量、利于制造而且美观等实际需要。这样的单孔补强方法，在形式上和多孔一样，但它们的原理不同，在计算时应予以注意。

SW6中，多孔平盖和单孔平盖的计算在同一程序界面进行，容易混淆。而按GB/T 150.3和SW6帮助文件的说明，对多孔平盖的SW6计算，只需输入同一横截面上最大的开孔孔径之和，无需再作开孔补强计算。但对于开单孔，平盖计算中不应输入同一横截面上最大的开孔孔径之和，即先按无开孔平盖计算，然后再进行补强计算。

基于材料力学知识可知，在平盖上开孔时，开1个单孔与开多个分散的小孔(小孔的直径总和等于单孔的)相比，前者平盖的抗弯截面模量被削弱的程度要大于后者。所以说，如果平盖开单孔按多孔的补强计算方法，既不符合GB/T 150.3的规定，也是不安全的。

5 结语

结合对压力容器标准规范的理解和应用SW6软件设计压力容器的工作实践，探讨了压力容器封头最小成型厚度校核、无缝封头焊接接头系数确定、标准容器法兰校核、立式容器卧置液压试验的应力校核以及平盖开孔补强计算等细节，指出一些容易出错和被忽视的问题，提出了改进方法。