壓力容器折邊錐形封頭設計的疑義解析

謝作芳

壓力容器是石油、化工、制藥、制冷、制氧、制氮以及壓縮空氣行業最為常用的設備單體。由于密封受壓的特性使然，使其具備著一定的危險性，如果介質是易燃易爆或有毒性均使其危險性升級，為了保障他人的生命財產安全，國家特制定了一系列法規（如<<特種設備安全法>>等）、條例（特種設備安全監察條例）、規程（如<<固定式壓力容器安全技術監察規程>>等）、標準（如GB/T150-2011<<壓力容器>>等）。從而有效的實施科學管理和安全監察。不但壓力容器使用單位要定期接受技術監督局的監察，而且制造單位也更高要求的接受監察。監察的第一步即為圖紙設計和出具強度計算書。

壓力容器的常規設計主要分為筒體、封頭、接管、法蘭、接管補強、吊耳、支承型式等的強度和穩定性設計。本文主要對封頭設計中折邊錐形封頭設計中常常遇到且容易忽略的問題做歸納、總結并闡述正確的設計理論和標準要求。錐形封頭通常采用折邊直角錐形封頭，因折邊直角錐形封頭的設計是折邊封頭設計的典型常規，其它型式的封頭亦采用該種錐封頭的設計理念和引用標準。所以本文以折邊直角錐形封頭作為引例，從而對折邊錐形封頭的設計常遇到的問題及誤區做一次深入探考。

折邊直角錐封頭涉及到的參數有（見圖一）：錐大端內徑Di、錐小端內徑Dis、錐角α、直邊高度h0、轉角半徑ri、壁厚δn。下面我們對這些參數容易出現的誤區和解析分別闡述：

誤區一：錐大端內徑Di與圓筒壁厚不同，設計者按外表面平齊從而形成內徑不等徑，而強度計算通常按內徑計算，造成實際產品與強度計算書不符，原則上影響了設計的嚴謹性。

解析：錐大端內徑通常與其連接的圓筒內徑等徑，如出現不等厚對接情況，宜于外部采用對厚側不少于1：3斜度的削薄以便達到圓滑過渡。

誤區二：錐小端內徑Dis既可以有直邊，也可以無直邊，當采用無直邊時接管厚度與錐體壁厚δn不相等。通常設計者認為無直邊即插入式焊接。

解析：無直邊時接管（或筒體）應與錐封頭壁厚δn等厚。此段屬于加強段，應參照無折邊錐封頭設計要素，詳見GB/T150.3-2011《壓力容器》第5.6.4.1款：錐體加強段與圓筒應具有相同的厚度。這是設計者極易忽略的問題。

誤區三：由于回轉薄殼理論將錐角定義為全錐體角度，從而到時設計者也將錐角α理解為整個錐體的角度。

解析：無論是在GB/T150.3-2011《壓力容器》中，還是在GB/T25198-2010《壓力容器封頭》中均把錐角α定義為半錐角。詳見圖一。

誤區四：由于繪圖軟件autocad的程序特性，導致有些新手設計員忽略折邊錐封頭的直邊存在。

解析：直邊高度h0的高度尺寸規定如下：當內徑≤2000mm時，直邊高度取25mm。當內徑>2000mm時，直邊高度取40mm。標準依據為：GB/T25198-2010《壓力容器封頭》第6.3.10款。

誤區五：折邊錐形封頭的轉角半徑ri亦稱為過渡半徑，該尺寸在現行最新標準GB/T25198-2010《壓力容器封頭》中的要求與封頭被取代標準的要求不同。很多設計者依然采用老標準的要求，即ri=0.15Di。

解析：轉角半徑在現行最新標準GB/T25198-2010《壓力容器封頭》中的要求是ri≥0.1Di。雖然采用0.15Di亦在允許范圍內，但實用靈活性卻小了很多，尤其是壁厚未超過12mm的錐封頭，采用較小的錐角半徑，可以縮短錐封頭的高度從而有效節省空間。

誤區六：錐封頭壁厚δn只按GB/T150.3-2011《壓力容器》給予的公式進行計算，而未滿足該標準其它條款。舉例如下：設計壓力0.65MPa，設計溫度：60℃，錐大端內徑Di=1600，材質：Q345R，腐蝕裕度取1mm。經過強度計算：成型最小有效厚度4.64mm，圓整后如果取壁厚δn=6是完全合格的。但事實上是不合格的。

解析：GB/T150.3-2011《壓力容器》中第5.6.1.3條款明確規定：在任何情況下，過渡段或加強段的最小成型厚度不得小于與其連接的圓筒內徑的0.3%mm。上例中Di=1600，最小成型厚度應該不小于1600×0.3%=4.8mm。如果再加上腐蝕裕度，最小成型厚度為5.8。壁厚為6mm的鋼板根本無法保證最小成型厚度5.8mm。所以錐封頭壁厚δn應該選擇8mm。

壓力容器行業在國內生產總值中占據著不可動搖的地位，其安全性直接影響著廣大群眾的生命財產安全。而設計工作又是整個壓力容器生產過程的龍頭，對壓力容器質量有著直接的影響。以上六點誤區是折邊錐封頭的設計者經常犯的錯誤，特對此歸納總結以便與同行交流。