压力容器封头型式及强度校核

付红栓，沈俊，李赵，金立玺

压力容器封头型式及强度校核

付红栓，沈俊，李赵，金立玺

（上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200062）

压力容器的封头形式有多种，其中椭圆形封头广泛的应用于重要的石油化工设备中，因其受力均衡且易于制造加工等优点。根据标准推导出椭圆形封头的计算厚度公式并进行了强度校核，利用三维分析软件对封头的静力学和疲劳载荷进行了分析，其结论是封头的受力最大应力在热冲压成形与直边连接的半径部位，最大位移在封头顶部。

椭圆形封头；强度校核；静力学；疲劳载荷

压力容器是石油化工行业的重要设备，在各行各业中已得到广泛的使用，在日常生活中占的比重越来越重。在石油炼化、农资医药、冶金等行业中，压力容器所占到的比重约为总量的三分之一。压力容器属于承压类设备，承受的压力从零点几兆帕到几十兆帕甚至几百兆帕的超高压，尽管我国的制造行业水平有了长足的发展，但是安全运行过程中受到诸多因素的影响，一旦发生泄漏或者爆炸将引发的严重后果，因此压力容器的安全性越来越受到重视[1-2]。其主要受压元件有筒节、球壳板、封头、平盖、膨胀节、设备法兰、换热器的管板和换热管、螺柱M36以上的以及公称直径大于或者等于 250 mm的接管和管法兰，本文就压力容器椭圆形封头进行研究分析。

1 封头型式

一般简单的压力容器由筒体和封头焊接而成。封头型式多种多样，常见的主要有受了内压或外压的凸形封头、平盖封头、锥形封头等。其中凸形封头包括椭圆形封头、蝶形封头、球冠形封头、半球形封头[2]。

2 椭圆形封头的强度校核

在常温常压及静载荷作用下，压力容器强度失效的主要形式是屈服和断裂，对于韧性材料，在单向拉伸应力作用下，屈服失效的数学表达式为：

式中：R—材料的屈服强度，MPa。

对于承受内压的薄壁圆筒壳，轴向和周向薄膜应力为：

轴向

周向

式中：—圆筒计算厚度，mm；

—圆筒中面直径，mm；

—圆筒内压，MPa。

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取等号得为：

圆筒厚度计算式为：

或：

式中：—焊接接头系数；

0—圆筒外径，mm。

椭圆形封头计算厚度按式（9）或式（10）计算得：

或：

式中：—椭圆形封头形状系数，K=1为标准椭圆。

3 封头的成型厚度及强度校核

压力容器封头作为压力容器主要承压零部件，其作用举足轻重，而封头的用材及其厚度计算方法都将影响整套设备。随着化工设备的高速发展，许多作业工况要求得也比较苛刻，例如超高温、强腐蚀、临氢环境等，因而有色金属及合金材料应运而生。

常规从GB150可以得出，根据标准计算得到的厚度为计算厚度，计算厚度加上腐蚀裕量等于设计厚度，设计厚度加上材料厚度负偏差后圆整至材料标准规格的厚度是名义厚度，受压元件成型后保证设计要求的最小厚度为最小成型厚度。而确定压力容器封头最小厚度一般的方法是等于设计厚度[3-5]。

3.1 影响封头的成型厚度的因素

3.1.1 材料刚度

刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力，是材料或结构弹性变形难易程度的表征。压力容器封头在承受内或外压力的同时本身必须具备一定的刚度，以免发生变形甚至破坏。因此，壳体成型后的实际最小厚度应当满足制造、运输、安装、使用等要求[6]。

3.1.2 工作压力

工作压力是影响压力容器的最主要的因素，工作压力分为内压和外压，封头是主要的受压元件之一，根据公式（11）或公式（12）可以得到封头的计算厚度，由计算厚度、腐蚀裕量可以推出设计厚度，从而得知的封头的最小成型厚度[7-9]。

3.1.3 开孔补强

压力容器的开孔补强方式有多种，常用的补强方式主要有补强圈补强法和整体补强法。

3.1.4 坯料

在成形过程中，坯料边缘部位会明显的变厚，使坯料严重拉薄，模具之间的间隙对封头壁厚的影响还是比较大的[10]。

3.2 根据具体事例进行校核

压力容器封头设计举例：根据某化工厂液氮储罐，工艺参数为工作温度120 ℃，设计温度150 ℃；公称工作压力1.8 MPa，设计压力2 MPa；公称容积10 000 L；公称直径1 500 mm；封头材质为Q345R，焊缝焊接型式采用全焊透，局部无损检测，腐蚀余量为2 mm，标准椭圆形封头。

查表GB150得：焊接接头系数为0.85；Q345R在工作温度150 ℃时，许用应力为189 MPa；标准椭圆形封头系数=1。由公式（11）得，封头计算厚度h= 9.40 mm，故计算厚度h= 11.40 mm。

在SolidWorks环境中对封头进行静应力学仿真分析，分析结果如图1至图4所示。

图1 应力图

图2 位移图

图4 载荷因子

由图1可知，封头的最大应力在热冲压成型与直边连接的半径部位，其值为20.3 MPa；由图2可知，最大位移在封头顶部，其值为1.2 mm；由图3可知，损坏百分比为10%。

4 结 论

本文对压力容器封头进行了强度校核并利用SolidWorks软件对封头进行了模拟仿真，结果是封头的受力最大应力在热冲压成型与直边连接的半径部位，最大位移在封头顶部。

[1] 鲁雨，贺小华.内压标准椭圆封头弹塑性屈曲分析及失效载荷研究[J].压力容器，2019，36（11）：25-33.

[2] 张正棠，孙宝财.压力容器常见缺陷分析及影响[J].辽宁化工，2021，50（2）：232-234.

[3] 刘旭.椭圆形封头厚度的设计[J].中氮肥，2019（5）：55-58.

[4] 计雪洁，张陈.基于ANSYS Workbench的压力容器封头设计[J].现代制造技术与装备，2018（11）：44-45.

[5] 王战辉，马向荣.凸形封头压力容器优化设计[J].轻工机械，2019，37（2）：98-104.

[6] 张伟.带球封圆筒外压计算长度的确定[J].化工设计通讯，2018，44（8）：137.

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[8] 张燕.椭圆形封头开孔接管结构失稳临界压力研究[J].机械设计与制造，2018（S2）：130-133.

[9] 景鹏飞，谢阳紫，董鑫，等.深冷压力容器应变强化过程数值分析[J].当代化工，2020，49（10）：2347-2350.

[10] 田一宏，黄斌，石磊.压力容器封头焊接工艺试验与实践[J].石油化工设备，2020，49（6）：55-58.

Pressure Vessel Head Type and Strength Check

(Shanghai Special Equipment Supervision and Inspection Technology Research Institute, Shanghai 200062,China)

There are many forms of pressure vessel head, the elliptical head is widely used in important petrochemical equipments because of its advantages of force balance and easy to manufacture and processing. In this paper, the thickness formula of elliptical head was deduced according to the standard,and the strength was checked.The statics and fatigue load of the head were analyzed by using three dimensional analysis software. The results showed that the maximum stress of the head was in the radius of the hot stamping forming and the straight edge, the maximum displacement was at the top of the head.

Ellipsoidal head; Strength check; Statics; Fatigue loading

2021-08-24

付红栓（1985-），男，河南省濮阳市人，工程师，硕士， 2013年毕业于辽宁石油化工大学机械制造与自动化专业，研究方向：压力容器、压力管道定期检验。

TQ050.1

A

1004-0935（2022）03-0361-03