關于壓力容器設計圖樣封頭厚度標注的探討

蔣祖威

摘 要：對標準設計圖樣中厚度標注的相關規定和最小成形厚度確定的影響因素進行了分析， 對常見情況下的壓力容器封頭設計圖樣最小成形厚度的確定和標注進行了討論，為壓力容器設計圖樣封頭厚度標注提供了參考。

關鍵詞：封頭;最小成形厚度;厚度標注

引言

凸形封頭是壓力容器的主要受壓元件，對壓力容器安全運行起著非常重要的作用。厚度是壓力容器最主要的結構參數，是在規定的載荷條件下，保證結構強度和結構剛度及使用壽命的基本條件之一。壓力容器封頭制造單位是依據設計圖樣上標注的封頭厚度，結合自身制造工藝和技術水平來進行封頭下料鋼坯規格選擇。因此，設計圖樣上封頭厚度的標注：一方面須對封頭成形的最小厚度進行限定，以確保凸形封頭在成形過程中發生局部厚度減薄后仍能滿足使用功能和安全要求，另一方面則會影響封頭制造單位下料鋼坯厚度規格的選擇，進而影響封頭成本，而且若下料鋼坯厚度過厚，與筒節厚度之間差異較大，還將影響產品外觀。本文對壓力容器封頭設計圖樣上厚度標注進行了探討，可為設計者提供參考。

1 GB150-2011 中對設計圖樣中厚度標注的規定

GB150.4-2011 [1]在 6.1.1 條中對封頭最小成形厚度作了這樣的規定：“制造單位應根據制造工藝確定加工余量，以確保受壓元件成形后的實際厚度不小于設計圖樣標注的最小成形厚度”。與 6.1.1 條對應，GB150.1-2011 中 4.3.8 條規定：“容器元件的名義厚度和最小成形厚度一般應標注在設計圖樣上”，即設計圖樣中封頭厚度應進行名義厚度/最小成形厚度雙重標注。GB150.1-2011 對“最小成形厚度”只是定義為：“受壓元件成形后保證設計要求的最小厚度” ，并沒有對設計文件中該如何標注最小成形厚度做出詳細的解釋和規定。

2最小成形厚度的確定

最小成形厚度定義為受壓元件成形后保證設計要求的最小厚度，即最小成形厚度要保證封頭在相應載荷作用下的安全性。對于壓力容器封頭的設計，一般應考慮的載荷有壓力載荷、液體靜壓力、容器及附件的重力載荷風載荷、地震力、雪載荷、支座反作用力、運輸或吊裝時的作用力等。壓力容器封頭厚度確定影響因素較多，本文擬對壓力容器常見工況下封頭最小成形厚度的確定進行分析。

2.1封頭無開孔（決定因素為內壓載荷工況）

依據 GB150-2011 中對受壓元件各厚度的定義可知：計算厚度是在規定的載荷條件下保證結構強度、剛度和穩定性所必須的厚度;設計厚度是同時又保證規定的設計壽命所必須的厚度。保證封頭的設計厚度即可滿足封頭的使用功能、壽命和安全要求。對于內壓封頭無開孔的情況，由于不涉及開孔補強，采用封頭的設計厚度作為設計圖樣中的最小成形厚度較為合理，此時所需的封頭下料鋼坯厚度最小，材料節省，成本降低。

2.2封頭有開孔（決定因素為內壓載荷工況）

當封頭上存在開孔時，封頭上就有可能要有一部分厚度用于補強，若直接以封頭的設計厚度作為最小成形厚度，則有可能出現封頭開孔部位補強不足，存在安全隱患。此時，設計圖樣上的最小成形厚度宜為設計厚度加上開孔補強所需的厚度（補強厚度）：

對于多個開孔，只要逐一計算各開孔所對應的封頭的補強厚度，然后取其大者就得封頭的補強厚度。

臥式容器封頭（決定因素是內壓載荷工況）

對臥式容器都是采用有效厚度δe進行核算的[3]。若不考慮其他因素，則當臥式容器的封 頭對筒體起加強作用時，所標注的封頭最小成形厚度應該是封頭的有效厚度加腐蝕余量之和， 即“名義厚度減去鋼板負偏差”：δmin = δe + C2。此時，設計厚度加鋼板負偏差后向上圓整? 為名義厚度時得圓整值沒有得到充分利用，在封頭制造下料時會存在人為的二次圓整，降低 了封頭制造的經濟性。在這種情況下，若封頭的供貨廠家已確定，且設計者對封頭成形工藝 及供貨廠家的制造工藝和技術水平較為熟悉，筆者認為，設計者可以在設計階段就考慮封頭 的加工余量，并在圖樣上標注下料鋼坯厚度和最小成形厚度，以避免設計厚度圓整為名義厚 度時的設計圓整。其中下料鋼坯厚度為：

最小成形厚度以δmin = δ n圖- C1-C3為宜[4]。值得注意的是，封頭成形減薄量C3應該將其視為“腐蝕裕量”，不能計入有效厚度及用于其他計算校核過程。若封頭上有開孔，δn圖中還應計及補強厚度。

2.4立式容器封頭

對于立式容器來說，支座反力、風載荷、雪載荷、地震載荷等常常是不容忽略的附加載荷，壓力載荷有時可能不是封頭厚度的決定因素。如對于處于風力較大地區的低壓立式容器， 風載荷可能是容器厚度的決定因素。同樣，支座反力、地震力、雪載荷等也可能是厚度的決定因素。此時，封頭的最小成形厚度應分析封頭厚度各影響因素的影響，通過計算校核得到。

2.5封頭厚度處于材料的厚度極限（鋼板許用應力出現跳躍的厚度）

某些鋼板，如 Q345R，隨著鋼板厚度的增加，在某些厚度段材料的許用應力將會下降。作為設計人員應該考慮封頭工藝人員增加厚度時，引起封頭成形后的最小厚度不滿足設計要求的這種情況，此時應進行封頭強度驗算，必要時適當增加最小成形厚度，避開厚度極限值。

2.6考慮封頭與筒身的對接

在封頭的設計過程中，常需要考慮與筒身的對接。一般在設計條件確定后，封頭的名義厚度和最小成形厚度就能初步確定。設計人員進行設計計算后，要分析封頭名義厚度與最小成形厚度之間的關系，當它們之間的差值不足以彌補工藝減薄量，建議提高筒體和封頭的名義厚度，這樣可避免封頭的機械加工，保證封頭與筒體的對接質量，且封頭與筒體的對接宜以外圓周長為基準[5]。

3 結論

設計圖樣上封頭厚度的標注關系著封頭的制造、檢驗和驗收及容器外觀。綜合以上分析對于壓力容器上封頭弧度的標注，筆者提出如下意見和建議：

（1）封頭設計圖樣上應標注封頭的名義厚度和最小成形厚度。

（2）對于內壓無孔封頭，最小成形厚度只要滿足設計厚度即可。

（3）對于內壓有孔封頭，最小成形厚度為設計厚度加上開孔補強厚度。

（4）對于臥式容器，若封頭對筒體有加強作用，若可行，設計者宜在設計階段考慮加工余量，并在圖樣上標注下料鋼坯厚度（δn 圖 = δ + C1 + C2 + C3 + ? ）和最小成形厚度

對于立式容器，需校核支座反力、風載荷、雪載荷、地震載荷等附加載荷對封頭厚度的影響。

對于封頭厚度處于厚度極限時，需對封頭的強度進行驗算，必要時，應增加最小成形厚度，以避開厚度極限。

封頭厚度影響因素較多，在工程實際中，封頭最小成形厚度的確定必須綜合考慮封頭強度、剛度、壽命、載荷特點，容器外觀等因素，設計時，設計者應分析封頭投料厚度、封頭最小成形厚度和名義厚度三者之間的關系，盡量給出一個經濟合理的數值，以降低封頭制造和筒體對接的難度，同時又保證容器制造質量和安全。

參考文獻：

[1]GB 150.1～150.4 -2011 壓力容器。 中國標準出版社。

[2] 張志輝. 壓力容器最小成形厚度標注探討. 石油化工設備. 2013. 42（3）：45-47。

[3]JB/T 4731-2005 . 鋼制臥式容器. 中國標準出版社。

（東方電氣（廣州）重型機器有限公司技術部，廣東 廣州 510000）