关于压力容器设计图样封头厚度标注的探讨

2020-04-22蒋祖威

装备维修技术 2020年21期

蒋祖威

摘要：对标准设计图样中厚度标注的相关规定和最小成形厚度确定的影响因素进行了分析，对常见情况下的压力容器封头设计图样最小成形厚度的确定和标注进行了讨论，为压力容器设计图样封头厚度标注提供了参考。

关键词：封头;最小成形厚度;厚度标注

引言

凸形封头是压力容器的主要受压元件，对压力容器安全运行起着非常重要的作用。厚度是压力容器最主要的结构参数，是在规定的载荷条件下，保证结构强度和结构刚度及使用寿命的基本条件之一。压力容器封头制造单位是依据设计图样上标注的封头厚度，结合自身制造工艺和技术水平来进行封头下料钢坯规格选择。因此，设计图样上封头厚度的标注：一方面须对封头成形的最小厚度进行限定，以确保凸形封头在成形过程中发生局部厚度减薄后仍能满足使用功能和安全要求，另一方面则会影响封头制造单位下料钢坯厚度规格的选择，进而影响封头成本，而且若下料钢坯厚度过厚，与筒节厚度之间差异较大，还将影响产品外观。本文对压力容器封头设计图样上厚度标注进行了探讨，可为设计者提供参考。

1 GB150-2011 中对设计图样中厚度标注的规定

GB150.4-2011 [1]在 6.1.1 条中对封头最小成形厚度作了这样的规定：“制造单位应根据制造工艺确定加工余量，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”。与 6.1.1 条对应，GB150.1-2011 中 4.3.8 条规定：“容器元件的名义厚度和最小成形厚度一般应标注在设计图样上”，即设计图样中封头厚度应进行名义厚度/最小成形厚度双重标注。GB150.1-2011 对“最小成形厚度”只是定义为：“受压元件成形后保证设计要求的最小厚度” ，并没有对设计文件中该如何标注最小成形厚度做出详细的解释和规定。

2最小成形厚度的确定

最小成形厚度定义为受压元件成形后保证设计要求的最小厚度，即最小成形厚度要保证封头在相应载荷作用下的安全性。对于压力容器封头的设计，一般应考虑的载荷有压力载荷、液体静压力、容器及附件的重力载荷风载荷、地震力、雪载荷、支座反作用力、运输或吊装时的作用力等。压力容器封头厚度确定影响因素较多，本文拟对压力容器常见工况下封头最小成形厚度的确定进行分析。

2.1封头无开孔（决定因素为内压载荷工况）

依据 GB150-2011 中对受压元件各厚度的定义可知：计算厚度是在规定的载荷条件下保证结构强度、刚度和稳定性所必须的厚度;设计厚度是同时又保证规定的设计寿命所必须的厚度。保证封头的设计厚度即可满足封头的使用功能、寿命和安全要求。对于内压封头无开孔的情况，由于不涉及开孔补强，采用封头的设计厚度作为设计图样中的最小成形厚度较为合理，此时所需的封头下料钢坯厚度最小，材料节省，成本降低。

2.2封头有开孔（决定因素为内压载荷工况）

当封头上存在开孔时，封头上就有可能要有一部分厚度用于补强，若直接以封头的设计厚度作为最小成形厚度，则有可能出现封头开孔部位补强不足，存在安全隐患。此时，设计图样上的最小成形厚度宜为设计厚度加上开孔补强所需的厚度（补强厚度）：

对于多个开孔，只要逐一计算各开孔所对应的封头的补强厚度，然后取其大者就得封头的补强厚度。

卧式容器封头（决定因素是内压载荷工况）

对卧式容器都是采用有效厚度δe进行核算的[3]。若不考虑其他因素，則当卧式容器的封头对筒体起加强作用时，所标注的封头最小成形厚度应该是封头的有效厚度加腐蚀余量之和，即“名义厚度减去钢板负偏差”：δmin = δe + C2。此时，设计厚度加钢板负偏差后向上圆整为名义厚度时得圆整值没有得到充分利用，在封头制造下料时会存在人为的二次圆整，降低了封头制造的经济性。在这种情况下，若封头的供货厂家已确定，且设计者对封头成形工艺及供货厂家的制造工艺和技术水平较为熟悉，笔者认为，设计者可以在设计阶段就考虑封头的加工余量，并在图样上标注下料钢坯厚度和最小成形厚度，以避免设计厚度圆整为名义厚度时的设计圆整。其中下料钢坯厚度为：

最小成形厚度以δmin = δ n图- C1-C3为宜[4]。值得注意的是，封头成形减薄量C3应该将其视为“腐蚀裕量”，不能计入有效厚度及用于其他计算校核过程。若封头上有开孔，δn图中还应计及补强厚度。

2.4立式容器封头

对于立式容器来说，支座反力、风载荷、雪载荷、地震载荷等常常是不容忽略的附加载荷，压力载荷有时可能不是封头厚度的决定因素。如对于处于风力较大地区的低压立式容器，风载荷可能是容器厚度的决定因素。同样，支座反力、地震力、雪载荷等也可能是厚度的决定因素。此时，封头的最小成形厚度应分析封头厚度各影响因素的影响，通过计算校核得到。

2.5封头厚度处于材料的厚度极限（钢板许用应力出现跳跃的厚度）

某些钢板，如 Q345R，随着钢板厚度的增加，在某些厚度段材料的许用应力将会下降。作为设计人员应该考虑封头工艺人员增加厚度时，引起封头成形后的最小厚度不满足设计要求的这种情况，此时应进行封头强度验算，必要时适当增加最小成形厚度，避开厚度极限值。

2.6考虑封头与筒身的对接

在封头的设计过程中，常需要考虑与筒身的对接。一般在设计条件确定后，封头的名义厚度和最小成形厚度就能初步确定。设计人员进行设计计算后，要分析封头名义厚度与最小成形厚度之间的关系，当它们之间的差值不足以弥补工艺减薄量，建议提高筒体和封头的名义厚度，这样可避免封头的机械加工，保证封头与筒体的对接质量，且封头与筒体的对接宜以外圆周长为基准[5]。

3 结论

设计图样上封头厚度的标注关系着封头的制造、检验和验收及容器外观。综合以上分析对于压力容器上封头弧度的标注，笔者提出如下意见和建议：

（1）封头设计图样上应标注封头的名义厚度和最小成形厚度。

（2）对于内压无孔封头，最小成形厚度只要满足设计厚度即可。

（3）对于内压有孔封头，最小成形厚度为设计厚度加上开孔补强厚度。

（4）对于卧式容器，若封头对筒体有加强作用，若可行，设计者宜在设计阶段考虑加工余量，并在图样上标注下料钢坯厚度（δn 图 = δ + C1 + C2 + C3 + ? ）和最小成形厚度

对于立式容器，需校核支座反力、风载荷、雪载荷、地震载荷等附加载荷对封头厚度的影响。

对于封头厚度处于厚度极限时，需对封头的强度进行验算，必要时，应增加最小成形厚度，以避开厚度极限。

封头厚度影响因素较多，在工程实际中，封头最小成形厚度的确定必须综合考虑封头强度、刚度、寿命、载荷特点，容器外观等因素，设计时，设计者应分析封头投料厚度、封头最小成形厚度和名义厚度三者之间的关系，尽量给出一个经济合理的数值，以降低封头制造和筒体对接的难度，同时又保证容器制造质量和安全。

参考文献：

[1]GB 150.1～150.4 -2011 压力容器。中国标准出版社。

[2] 张志辉. 压力容器最小成形厚度标注探讨. 石油化工设备. 2013. 42（3）：45-47。