浅谈压力容器碟形封头壁厚计算

胡少存 姚波

摘 要：压力容器是指盛装气体或者液体，并承受一定压力的密闭容器，应用范围较广，它是在石油化学工业、能源工业、科研和军工等国民经济的各个部门都起着重要作用的设备。压力容器主要有筒体、封头、接管法兰、支座等部件组成，碟形封头作为封头中的一种，是压力容器中非常重要的一个部件，碟形封头的壁厚合理选择对压力容器的安全性和经济性起着非常重要的作用。因此，在满足压力容器安全性的前提下，应合理选择碟形封头的壁厚。

关键词：压力容器;碟形封头;封头壁厚

碟形封头又称带折边球形封头，由一个球面、一定高度的圆筒直边和连接以上两个部分的曲率半径小于球面半径的过渡部分组成。通常我们用Di表示容器内径，Ri表示碟形封头球面部分内半径，r表示碟形封头过渡段转角半径，dh表示封头名义厚度，碟形封头球面部分的内半径应不大于封头的内直径，封头转角内半径应不小于封头内直径的10%，且不得小于3 倍的名义厚度。详见下图1。

封头壁厚是根据设备设计压力、设计温度、容器材质、焊接接头系数等使用条件，依照标准提供的公式进行计算后加上腐蚀裕量、封头加工减薄量和厚度负偏差并圆整后得到的。承受内压的碟形封头，当其壁厚与直径之比较小的时候，除应考虑内压下的强度失效计算外，还应考虑过渡区的塑性垮塌或内压失稳问题，所以国家标准GB/T150.3-2011《压力容器 第3 部分： 设计》对碟形封头的最小厚度做了规定：“对于Ri/r ≤ 5.5的碟形封头，其有效厚度应不小于封头内直径的0.5%，其他碟形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.30%。但当确定封头厚度时已考虑了内压下的弹性失稳問题，可不受此条限制。”按此规定，一般对于低压大直径的压力容器，一般按公式计算出来的厚度较小，而实际上为了满足有效厚度不得不增加名义厚度，从而增加成本。例：现设计一台压力容器储罐，结构为一段筒体加2个碟形封头，储罐内径φ3000mm，选用标准碟形（Ri/r = 10）封头，Ri = 3000mm，r = 300mm，计算压力Pc=0.20MPa，设计温度T=100℃，材质选用S30408（材料标准GB/T24511-2017），焊接接头系数取1.0，求碟形封头名义厚度。（1）第一种计算方法：按GB/T150.3-2011《压力容器 第3部分：设计》计算。按公式封头计算厚度：

由于封头在加工成型后，由于压制的原因厚度会产生一定的减薄，封头的加工减薄量是根据封头材质、直径、名义厚度和加工工艺确定的，此处加工减薄量取0.78mm。名义厚度=3.37mm+封头加工减薄量0.78mm+钢材厚度负偏差0.30mm向上圆整可以取5mm。此例中Ri/r=10按照有效厚度应不小于封头内直径的0.30%的规定：0.30%×3000=9mm，此处加工减薄 量取1.44mm。名义厚度=9.00mm+封头加工减薄量1.44mm+钢材厚度负偏差0.30mm向上圆整取12mm。综上所述：由于GB/150.3-2011中没有给出计算封头弹性失稳的计算方法，所以本例最终封头壁厚选12mm。（2）第二种计算方法：按照HG/T20582-2020中第23章“内压薄壁凸形封头的设计和计算”，按此方法计算的封头可不受现行国家标准《压力容器 第3部分： 设计》GB/T150.3-2011对最小壁厚的限制，对于上面的例题，我们依据HG/ T20582-2020《钢制化工容器强度计算规范》的计算方法计算如下：

由上表可以看出，在此例题中封头名义厚度可以取5mm+封头加工减薄量0.78mm+钢材厚度负偏差0.3mm向上圆整取8mm。

结束语：通过对以上两种计算方法的比较，同样的设计条件，碟形封头的壁厚取值相差很大，一个封头壁厚为12mm，一个封头壁厚为8mm， 我们可以查标准GB/T25198-2010《压力容器封头》得出一个封头重量相差316kg，制造成本相差很大。对于低压，大直径压力容器的碟形封头计算可以采用GB/T150.3和HG/T20582-2020的相结合的计算方法，即是按照GB/ T150.3强度计算，按照HG/T20582-2020进行刚度计算，这样取的最终名义厚度既满足了强度要求又满足了刚度要求，这样可以减少壁厚，从而减少设备成本，可以有效地减少项目投资成本。

参考文献：

[1]GB/T150.1-4-2011《压力容器》，中国标准出版社出版发行，2012年2月第一版.

[2]HG/T20582-2020《钢制化工容器强度计算规范》，北京科学技术出版社， 2021年4月1日实施.

[3]GB/T25198-2010《压力容器封头》，中国标准出版社出版发行，2011年1月第一版.

[4]GB/24511-2017《承压设备用不锈钢和耐热钢钢板和钢带》中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，2017.12.29.