壓力容器中厚存度變化對(duì)強(qiáng)度的影響

河南省化工壓力容器檢測(cè)中心站 宋前進(jìn) 李彥偉

壓力容器中厚存度變化對(duì)強(qiáng)度的影響

河南省化工壓力容器檢測(cè)中心站 宋前進(jìn) 李彥偉

目前，壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)GB150-98《鋼制壓力容器》（以下簡(jiǎn)稱GB150-98），是我國(guó)普遍遵循的原則。一般情況下，板厚增加，容器強(qiáng)度會(huì)提高，但有時(shí)反而會(huì)降低強(qiáng)度。如何按照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行厚度的恰當(dāng)選取，以更好地滿足強(qiáng)度需求，對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)具有重要意義。本文，筆者闡述了當(dāng)圖樣設(shè)計(jì)厚度處于相應(yīng)材料厚度范圍臨界值時(shí)，不同材料許用應(yīng)力隨板厚變化而變化的問(wèn)題。

一、壓力容器厚度的定義

GB150-98規(guī)定，計(jì)算厚度是指按各章公式計(jì)算得到的厚度；設(shè)計(jì)厚度是指計(jì)算厚度與腐蝕裕量之和；名義厚度指設(shè)計(jì)厚度加上鋼板厚度負(fù)偏差后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格厚度，即標(biāo)注在圖樣上的厚度；有效厚度指名義厚度減去腐蝕裕量和鋼板厚度負(fù)偏差。我們這里討論的厚度是名義厚度。從定義中可以看出，名義厚度不包括加工減薄量。元件的加工減薄量由制造單位根據(jù)各自的加工工藝和加工能力自行選取，只要保證產(chǎn)品的實(shí)際厚度不小于名義厚度減去鋼材厚度負(fù)偏差就可以。這樣可以使制造單位根據(jù)自身?xiàng)l件調(diào)節(jié)加工減薄量，從而更加主動(dòng)地保證產(chǎn)品強(qiáng)度所要求的厚度。

二、壓力容器厚度變化與強(qiáng)度的關(guān)系

按照GB150-98等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，制造工藝人員要根據(jù)圖樣厚度考慮加工減薄量而增加制造元件的毛坯厚度。在我國(guó)材料標(biāo)準(zhǔn)中，鋼板厚度范圍變化，鋼板的σb、σs也有變化，一般是板厚增加，σb、σs有所降低。我國(guó)壓力容器用鋼板許用應(yīng)力隨板厚厚度范圍增厚而有所降低，因而可能出現(xiàn)板厚增加，強(qiáng)度反而降低的現(xiàn)象，尤其是封頭，這種現(xiàn)象更為明顯。為了證明上述現(xiàn)象存在，筆者列舉了兩種材質(zhì)的情形。

1.材質(zhì)為15MnVR。某臺(tái)儲(chǔ)氣罐，其封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形，材質(zhì)為15MnVR，設(shè)計(jì)內(nèi)徑Di=2 000mm，腐蝕裕度C2=1mm，焊縫系數(shù)φ=1，設(shè)計(jì)壓力P=2.6MPa，設(shè)計(jì)溫度t=20℃，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭形狀系數(shù)K=1，側(cè)視圖樣上封頭名義厚度δn=16mm。制造廠選用18mm厚度鋼板壓制封頭，該制造廠壓制封頭時(shí)最大成型減薄量為δ×10%，即1.8mm（包含鋼板厚度負(fù)偏差在內(nèi)）。

（1）選用18mm厚度鋼板壓制封頭，滿足GB150-98設(shè)計(jì)要求。15MnVR鋼板厚度負(fù)偏差C1=0.25mm，封頭成型后最小厚度δmin=16.2mm，圖樣厚度－鋼板厚度負(fù)偏差=15.75mm，即滿足GB150-98的要求。

（2）16mm圖樣厚度滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。對(duì)圖樣封頭厚度16mm進(jìn)行強(qiáng)度校核，由GB150-98（7-1）橢圓封頭厚度計(jì)算公式（標(biāo)準(zhǔn)橢圓K=1）和GB150-98表4-1，16mm厚度的15MnVR的[σ]=177MPa，則封頭計(jì)算厚度：考慮腐蝕裕量C2=1mm，封頭設(shè)計(jì)厚度δa=δ+C2=15.74mm。再考慮鋼板厚度負(fù)偏差C1=0.25mm，δa+C1= 15.99mm。現(xiàn)圖樣厚度B=16mm＞15.99mn，即滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

（3）板厚增加，強(qiáng)度反而不符合要求。雖然制造時(shí)考慮加工成型減薄量，增加了壓制封頭鋼板厚度，滿足GB150-98封頭最小厚度≧圖樣厚度-鋼板厚度負(fù)偏差的要求，但由GB150-98表2-1查18mm厚度的15MnVR封頭材料的許用應(yīng)力[δ]=170MPa，此時(shí)，封頭計(jì)算厚度：考慮腐蝕裕度C2=1mm，則封頭設(shè)計(jì)厚度δb=15.35+1=16.35mm?，F(xiàn)封頭成型后最小厚度（包含鋼板厚度負(fù)偏差在內(nèi)）為：16.2mm＜封頭設(shè)計(jì)厚度16.35mm，即不滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

2.材質(zhì)為15MnNiDR。某低溫反應(yīng)容器（t=25℃）的球形封頭材質(zhì)為15MnNiDR，圖樣厚度為20mm，設(shè)計(jì)壓力P=7.65MPa，設(shè)計(jì)內(nèi)徑Di=1 500mm，腐蝕裕度C2=1mm。制造廠選用22mm鋼板壓制球形封頭，該制造廠壓制封頭時(shí)最大成型減薄量（包含鋼板厚度負(fù)偏差在內(nèi)）為δ×12%=2.64mm。

（1）選用22mm厚度鋼板壓制球形封頭，滿足GB150-98要求。22mm厚度的15MnNiDR鋼板厚度負(fù)偏差為0.8mm，封頭成型后最小厚度（包含鋼板厚度負(fù)偏差在內(nèi)）δmin=19.36mm＞圖樣厚度－鋼板厚度負(fù)偏差=19.2mm，即選用22mm厚度鋼板壓制球形封頭，滿足GB150-98要求。

（2）20mm圖樣厚度滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)圖樣球形封頭厚度進(jìn)行強(qiáng)度校核，由GB150-98（5-5），考慮腐蝕裕度C2=1mm，則封頭設(shè)計(jì)厚度δb=18.8mm，再考慮鋼板厚度負(fù)偏差C1=0.8mm，δa+C1=19.6mm＜20mm圖樣厚度，即圖樣厚度20mm滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

（3）板厚增加，強(qiáng)度反而不符合要求。雖然制造時(shí)考慮加工成型減薄量，增加了壓制封頭鋼板厚度，滿足了GB150-98封頭最小厚度≧圖樣厚度-鋼板厚度負(fù)偏差的要求，但由于鋼板厚度增加后[σ]由163MPa降至157MPa，此時(shí)，球型封頭計(jì)算厚度：考慮腐蝕裕度C2=1mm，則球形封頭設(shè)計(jì)厚度δa=δ+C2=19.5mm。現(xiàn)封頭成型后最小厚度δmin=19.36mm＜19.5mm，故不能滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

以上實(shí)例說(shuō)明，若不考慮板厚增加、材料力學(xué)性能降低這一因素，將可能制造出強(qiáng)度不夠的不合格受壓元件。除了上述兩例材質(zhì)外，還有其他多種鋼種，如16MnR，16MnDR等的力學(xué)性能均隨厚度范圍變化。因此，設(shè)計(jì)人員在選用我國(guó)鋼板進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮材料許用應(yīng)力隨板厚范圍變化而變化的問(wèn)題。盡可能采用增加最小厚度值的方法，以使制造工藝人員為彌補(bǔ)加工減薄量而增加板厚時(shí)，受壓元件成型后最小厚度仍能滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求。