淺談壓力容器碟形封頭壁厚計算

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)、科研和軍工等國民經(jīng)濟(jì)的各個部門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部件，碟形封頭的壁厚合理選擇對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

碟形封頭又稱帶折邊球形封頭，由一個球面、一定高度的圓筒直邊和連接以上兩個部分的曲率半徑小于球面半徑的過渡部分組成。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。詳見下圖1。

封頭壁厚是根據(jù)設(shè)備設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、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候，除應(yīng)考慮內(nèi)壓下的強度失效計算外，還應(yīng)考慮過渡區(qū)的塑性垮塌或內(nèi)壓失穩(wěn)問題，所以國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T150.3-2011《壓力容器 第3 部分： 設(shè)計》對碟形封頭的最小厚度做了規(guī)定：“對于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)確定封頭厚度時已考慮了內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn)問題，可不受此條限制。”按此規(guī)定，一般對于低壓大直徑的壓力容器，一般按公式計算出來的厚度較小，而實際上為了滿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)計一臺壓力容器儲罐，結(jié)構(gòu)為一段筒體加2個碟形封頭，儲罐內(nèi)徑φ3000mm，選用標(biāo)準(zhǔn)碟形（Ri/r = 10）封頭，Ri = 3000mm，r = 300mm，計算壓力Pc=0.20MPa，設(shè)計溫度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）第一種計算方法：按GB/T150.3-2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計》計算。按公式封頭計算厚度：

由于封頭在加工成型后，由于壓制的原因厚度會產(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中沒有給出計算封頭彈性失穩(wěn)的計算方法，所以本例最終封頭壁厚選12mm。（2）第二種計算方法：按照HG/T20582-2020中第23章“內(nèi)壓薄壁凸形封頭的設(shè)計和計算”，按此方法計算的封頭可不受現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《壓力容器 第3部分： 設(shè)計》GB/T150.3-2011對最小壁厚的限制，對于上面的例題，我們依據(jù)HG/ T20582-2020《鋼制化工容器強度計算規(guī)范》的計算方法計算如下：

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

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T150.1-4-2011《壓力容器》，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社出版發(fā)行，2012年2月第一版.

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

[3]GB/T25198-2010《壓力容器封頭》，中國標(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》中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會，2017.12.29.