胡少存 姚波

摘 要：壓力容器是指盛裝氣體或者液體，并承受一定壓力的密閉容器，應(yīng)用范圍較廣，它是在石油化學(xué)工業(yè)、能源工業(yè)、科研和軍工等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)都起著重要作用的設(shè)備。壓力容器主要有筒體、封頭、接管法蘭、支座等部件組成，碟形封頭作為封頭中的一種，是壓力容器中非常重要的一個(gè)部件，碟形封頭的壁厚合理選擇對(duì)壓力容器的安全性和經(jīng)濟(jì)性起著非常重要的作用。因此，在滿(mǎn)足壓力容器安全性的前提下，應(yīng)合理選擇碟形封頭的壁厚。

關(guān)鍵詞：壓力容器;碟形封頭;封頭壁厚

碟形封頭又稱(chēng)帶折邊球形封頭，由一個(gè)球面、一定高度的圓筒直邊和連接以上兩個(gè)部分的曲率半徑小于球面半徑的過(guò)渡部分組成。通常我們用Di表示容器內(nèi)徑，Ri表示碟形封頭球面部分內(nèi)半徑，r表示碟形封頭過(guò)渡段轉(zhuǎn)角半徑，dh表示封頭名義厚度，碟形封頭球面部分的內(nèi)半徑應(yīng)不大于封頭的內(nèi)直徑，封頭轉(zhuǎn)角內(nèi)半徑應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的10%，且不得小于3 倍的名義厚度。詳見(jiàn)下圖1。

封頭壁厚是根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、容器材質(zhì)、焊接接頭系數(shù)等使用條件，依照標(biāo)準(zhǔn)提供的公式進(jìn)行計(jì)算后加上腐蝕裕量、封頭加工減薄量和厚度負(fù)偏差并圓整后得到的。承受內(nèi)壓的碟形封頭，當(dāng)其壁厚與直徑之比較小的時(shí)候，除應(yīng)考慮內(nèi)壓下的強(qiáng)度失效計(jì)算外，還應(yīng)考慮過(guò)渡區(qū)的塑性垮塌或內(nèi)壓失穩(wěn)問(wèn)題，所以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T150.3-2011《壓力容器 第3 部分： 設(shè)計(jì)》對(duì)碟形封頭的最小厚度做了規(guī)定：“對(duì)于Ri/r ≤ 5.5的碟形封頭，其有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.5%，其他碟形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.30%。但當(dāng)確定封頭厚度時(shí)已考慮了內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn)問(wèn)題，可不受此條限制?！卑创艘?guī)定，一般對(duì)于低壓大直徑的壓力容器，一般按公式計(jì)算出來(lái)的厚度較小，而實(shí)際上為了滿(mǎn)足有效厚度不得不增加名義厚度，從而增加成本。例：現(xiàn)設(shè)計(jì)一臺(tái)壓力容器儲(chǔ)罐，結(jié)構(gòu)為一段筒體加2個(gè)碟形封頭，儲(chǔ)罐內(nèi)徑φ3000mm，選用標(biāo)準(zhǔn)碟形（Ri/r = 10）封頭，Ri = 3000mm，r = 300mm，計(jì)算壓力Pc=0.20MPa，設(shè)計(jì)溫度T=100℃，材質(zhì)選用S30408（材料標(biāo)準(zhǔn)GB/T24511-2017），焊接接頭系數(shù)取1.0，求碟形封頭名義厚度。（1）第一種計(jì)算方法：按GB/T150.3-2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》計(jì)算。按公式封頭計(jì)算厚度：

由于封頭在加工成型后，由于壓制的原因厚度會(huì)產(chǎn)生一定的減薄，封頭的加工減薄量是根據(jù)封頭材質(zhì)、直徑、名義厚度和加工工藝確定的，此處加工減薄量取0.78mm。名義厚度=3.37mm+封頭加工減薄量0.78mm+鋼材厚度負(fù)偏差0.30mm向上圓整可以取5mm。此例中Ri/r=10按照有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.30%的規(guī)定：0.30%×3000=9mm，此處加工減薄 量取1.44mm。名義厚度=9.00mm+封頭加工減薄量1.44mm+鋼材厚度負(fù)偏差0.30mm向上圓整取12mm。綜上所述：由于GB/150.3-2011中沒(méi)有給出計(jì)算封頭彈性失穩(wěn)的計(jì)算方法，所以本例最終封頭壁厚選12mm。（2）第二種計(jì)算方法：按照HG/T20582-2020中第23章“內(nèi)壓薄壁凸形封頭的設(shè)計(jì)和計(jì)算”，按此方法計(jì)算的封頭可不受現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《壓力容器 第3部分： 設(shè)計(jì)》GB/T150.3-2011對(duì)最小壁厚的限制，對(duì)于上面的例題，我們依據(jù)HG/ T20582-2020《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)范》的計(jì)算方法計(jì)算如下：

由上表可以看出，在此例題中封頭名義厚度可以取5mm+封頭加工減薄量0.78mm+鋼材厚度負(fù)偏差0.3mm向上圓整取8mm。

結(jié)束語(yǔ)：通過(guò)對(duì)以上兩種計(jì)算方法的比較，同樣的設(shè)計(jì)條件，碟形封頭的壁厚取值相差很大，一個(gè)封頭壁厚為12mm，一個(gè)封頭壁厚為8mm， 我們可以查標(biāo)準(zhǔn)GB/T25198-2010《壓力容器封頭》得出一個(gè)封頭重量相差316kg，制造成本相差很大。對(duì)于低壓，大直徑壓力容器的碟形封頭計(jì)算可以采用GB/T150.3和HG/T20582-2020的相結(jié)合的計(jì)算方法，即是按照GB/ T150.3強(qiáng)度計(jì)算，按照HG/T20582-2020進(jìn)行剛度計(jì)算，這樣取的最終名義厚度既滿(mǎn)足了強(qiáng)度要求又滿(mǎn)足了剛度要求，這樣可以減少壁厚，從而減少設(shè)備成本，可以有效地減少項(xiàng)目投資成本。

參考文獻(xiàn)：

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[2]HG/T20582-2020《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)范》，北京科學(xué)技術(shù)出版社， 2021年4月1日實(shí)施.

[3]GB/T25198-2010《壓力容器封頭》，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版發(fā)行，2011年1月第一版.

[4]GB/24511-2017《承壓設(shè)備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2017.12.29.