長(zhǎng)浩 (洛陽(yáng)智達(dá)石化工程有限公司,河南 洛陽(yáng) 471003)

外壓錐殼的計(jì)算是容器外壓設(shè)計(jì)中較復(fù)雜的一部分內(nèi)容，邏輯關(guān)系也比較復(fù)雜，不少設(shè)計(jì)人員對(duì)其計(jì)算過(guò)程感到迷惑。GB150-2011(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB150)，雖對(duì)外壓錐殼計(jì)算的一些主要環(huán)節(jié)做出了規(guī)定，但GB150中隱含或未提及的部分，設(shè)計(jì)人員在計(jì)算中比較容易出錯(cuò)。本文根據(jù)理論分析和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)半頂角α≤60°外壓錐殼設(shè)計(jì)的全過(guò)程進(jìn)行了梳理，并對(duì)容易引起混淆的環(huán)節(jié)進(jìn)行說(shuō)明。本文中所用符號(hào)的意義同GB150。外壓錐殼設(shè)計(jì)的主要過(guò)程

1 外壓計(jì)算長(zhǎng)度的初步設(shè)定

它是外壓錐殼計(jì)算的基礎(chǔ),在設(shè)計(jì)開(kāi)始時(shí)我們就需做出假設(shè)：錐殼大、小端與筒體連接處是否做為支撐線(xiàn)。實(shí)際上有以下四種可能：①錐殼大、小端與筒體連接處均作為支撐線(xiàn)；②僅錐殼大端與筒體連接處作為支撐線(xiàn)；③僅錐殼小端與筒體連接處作為支撐線(xiàn)；④錐殼大、小端與筒體連接處均不作為支撐線(xiàn)。

對(duì)于第①種情況，見(jiàn)GB150圖4-1（f），此時(shí)相連筒體均能以與錐殼連接處作為圓筒外壓計(jì)算長(zhǎng)度的一個(gè)起點(diǎn)。錐殼的外壓計(jì)算長(zhǎng)度Le按GB150第5.6.6.1計(jì)算。當(dāng)然，這種情況要求錐殼兩端與筒體連接處具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

對(duì)于第②種情況，見(jiàn)GB150圖5-17（a），此時(shí)由于錐殼小端連接處無(wú)法作為支撐線(xiàn)，與小端相連的圓筒的計(jì)算長(zhǎng)度Lsm應(yīng)包含錐殼的長(zhǎng)度。與大端相連的圓筒卻能夠以連接處作為起點(diǎn)。

對(duì)于第③種情況，見(jiàn)GB150 圖 4-1（e）或圖5-17（b），與大端相連圓筒的計(jì)算長(zhǎng)度LL應(yīng)包含錐殼的長(zhǎng)度，與小端相連的圓筒能夠以連接處作為起點(diǎn)。

對(duì)于第④種情況，見(jiàn)GB150 圖4-1（a-2）、（c-2），這時(shí)錐殼兩端的外壓計(jì)算長(zhǎng)度都要包含錐殼，即計(jì)算長(zhǎng)度中包括了大、小直徑圓筒、錐殼三者。

2 錐殼及相連圓筒的厚度計(jì)算

在設(shè)定外壓計(jì)算長(zhǎng)度后，可根據(jù)GB150的4.3.2、4.3.3節(jié)，分別確定出兩端圓筒所需的有效厚度，從而確定其各自的名義厚度δnL，δns。

在前述第①種情況下，根據(jù)GB150的第5.6.6.2節(jié)計(jì)算錐殼所需的有效厚度δec，并得到錐殼的名義厚度δnc。并且在這種情況下，還需要根據(jù)GB150第5.6.6.4、5.6.6.5節(jié)分別校核錐殼與圓筒連接處是否滿(mǎn)足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求。

注意問(wèn)題1：利用GB150第5.6.6.2節(jié)計(jì)算錐殼厚度的前提是假設(shè)錐殼大、小端與筒體連接處均可作為支撐線(xiàn)，均可以作為兩端圓筒計(jì)算長(zhǎng)度的起點(diǎn)。因?yàn)樵摴?jié)進(jìn)行錐殼穩(wěn)定性核算時(shí)所用到的受載模型是：錐殼兩端簡(jiǎn)支且受到均勻外壓作用。如果有某一端連接處不能作為支撐線(xiàn)，則不能應(yīng)用GB150該節(jié)的方法進(jìn)行計(jì)算。

注意問(wèn)題2：對(duì)于前述第②、③種情況，錐殼名義厚度δnc應(yīng)分別不小于大、小端相連圓筒的最小所需厚度。

注意問(wèn)題3：對(duì)于前述第④種情況，大、小端圓筒在進(jìn)行外壓校核時(shí)，應(yīng)采用各自的直徑和相應(yīng)的厚度。比如：與大端相連圓筒在計(jì)算時(shí)取自身的直徑D0和厚度δnL，盡管計(jì)算長(zhǎng)度L包含了部分小直徑圓筒，并且此時(shí)錐殼的名義厚度δnc不得小于兩端圓筒的最小需要厚度，滿(mǎn)足上述要求后不必再按照GB150第5.6.6.2節(jié)單獨(dú)校核外壓錐殼的穩(wěn)定性。

3 錐殼與圓筒連接處的強(qiáng)度校核

在外壓作用下，錐殼與圓筒連接處會(huì)由于幾何形狀的突變而產(chǎn)生橫推力，此橫推力會(huì)產(chǎn)生附加的邊緣應(yīng)力，因此要對(duì)錐殼大、小端與圓筒連接處進(jìn)行強(qiáng)度校核。無(wú)論圓筒與錐殼連接處是否作為支撐線(xiàn)，都需要保證兩者在連接后的強(qiáng)度。

對(duì)無(wú)折邊錐殼，錐殼與圓筒連接處的強(qiáng)度校核可以轉(zhuǎn)化為對(duì)加強(qiáng)面積的校核，見(jiàn)GB150的5.6.6.4.1和5.6.6.5.1

對(duì)于有折邊的外壓錐殼，在錐殼小端與圓筒連接處，折邊段主要承受壓縮應(yīng)力，此時(shí)不必考慮強(qiáng)度破壞的問(wèn)題。在外壓錐殼大端，折邊段的存在有效的緩和了與筒體連接處的結(jié)構(gòu)不連續(xù)，因此部分學(xué)者認(rèn)為無(wú)需再對(duì)折邊段進(jìn)行強(qiáng)度校核，同時(shí)GB150中也未明確說(shuō)明如何校核。但錐殼大端折邊段以承受軸向拉伸應(yīng)力為主，仍然存在強(qiáng)度問(wèn)題。筆者以為，外壓作用下錐殼大端與圓筒連接處過(guò)渡段受力情況與凸面受壓碟形封頭折邊段非常類(lèi)似，最大不同之處在于第二曲率半徑的區(qū)別。因此可以參照校核碟形封頭過(guò)渡段厚度的方法。ASME VⅢ-1 UG-33(a)指出，對(duì)于凸面受壓碟形封頭需要以1.67倍的設(shè)計(jì)壓力按照內(nèi)壓計(jì)算公式來(lái)設(shè)計(jì)折邊段的厚度，同時(shí)，折邊段的厚度不得小于碟形封頭按外壓規(guī)則計(jì)算出的厚度(基于防止球冠失穩(wěn)的考慮)。

注意問(wèn)題：縱向?qū)咏宇^的焊接接頭系數(shù)φ的選取。計(jì)算錐殼與圓筒連接處所需加強(qiáng)面積ArL，ArS時(shí)應(yīng)用φ。當(dāng)焊縫周向受壓縮時(shí)（如外壓作用下錐殼小端），應(yīng)取φ=1，當(dāng)焊縫受拉伸時(shí)(如外壓作用下錐殼大端)，φ的取值應(yīng)根據(jù)受壓元件焊接接頭型式及無(wú)損檢測(cè)的長(zhǎng)度比例確定。

4 錐殼與圓筒連接處的周向穩(wěn)定性校核

如果將錐殼大端（或小端）與筒體連接處視為支撐線(xiàn)，此時(shí)不僅需要考慮錐殼與圓筒連接處的強(qiáng)度問(wèn)題，還需要考慮周向穩(wěn)定性，即通過(guò)校核連接處是否具有足夠的慣性矩來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體按GB150的第5.6.6.4.2和第5.6.6.5.2進(jìn)行計(jì)算。

注意問(wèn)題1：當(dāng)錐殼大端及小端與筒體連接不作為支撐線(xiàn)，如本文1.1節(jié)中第④種情況，則無(wú)需對(duì)連接處進(jìn)行慣性矩校核。在第④種情況下，應(yīng)注意錐殼及過(guò)渡段的名義厚度不得小于兩端圓筒的最小所需厚度，此時(shí)可認(rèn)為三者（錐殼和相鄰兩圓筒）作為一整體時(shí)，穩(wěn)定性可得到了保證，不必再單獨(dú)校核錐殼與筒體連接處的穩(wěn)定性。

注意問(wèn)題2：FL，F(xiàn)S的實(shí)際物理意義是：各種載荷作用在錐殼大端(小端)與筒體連接處單位圓周上的徑向總載荷，其值一般為正值，即連接處總體上受到向內(nèi)的橫推力，錐殼與筒體連接處有可能會(huì)失穩(wěn)。當(dāng)FL，F(xiàn)S為負(fù)值時(shí)，此時(shí)GB150的5.6.6.4.2和5.6.6.5.2節(jié)將不再適應(yīng)。事實(shí)上，當(dāng)徑向載荷為負(fù)時(shí)，錐殼與筒體連接處在徑向總體上受到向外拉伸，此時(shí)校核此處穩(wěn)定性意義不大，該情況下可以采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析，本文把半頂角α≤60°外壓錐殼的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了歸納，并提出了應(yīng)該注意的問(wèn)題。希望能對(duì)行業(yè)內(nèi)工程設(shè)計(jì)人員對(duì)這部分內(nèi)容的理解、掌握、運(yùn)用有所幫助。

[1]GB150-2011《壓力容器》.

[2]ASME VⅢ-1.