壓力容器封頭最小成形厚度的計(jì)算

朱永飛

（句容市華聯(lián)特種設(shè)備制造有限公司，江蘇句容 212400）

壓力容器封頭最小成形厚度的計(jì)算

朱永飛

（句容市華聯(lián)特種設(shè)備制造有限公司，江蘇句容 212400）

根據(jù)《壓力容器》GB/T 150—2011和《壓力容器封頭》GB/T 25198—2010中提出對(duì)壓力容器封頭最小成形厚度的要求，談封頭最小成形厚度的計(jì)算問題。

壓力容器封頭；最小成形厚度；計(jì)算

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.46

0 前言

封頭是壓力容器的重要零件，不論采用沖壓還是旋壓，熱成形還是冷成形都會(huì)在封頭局部產(chǎn)生厚度減薄，厚度減薄與封頭類型、規(guī)格(直徑與厚度)、材料、工藝與工裝水平、制造成方法等多種因素有關(guān)。參照GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》附錄J，厚度減薄量一般控制在12%～15%。封頭局部厚度減薄會(huì)直截影響殼體強(qiáng)度。為此，封頭設(shè)計(jì)、制造中要充分考慮厚度減薄問題。

最小成形厚度是受壓元件成形后保證設(shè)計(jì)要求的最小厚度，《壓力容器》（GB/T 150.4—2011）中6.1規(guī)定“：制造單位應(yīng)根據(jù)制造工藝確定加工余量，以確保受壓元件成形后實(shí)際厚度不小于設(shè)計(jì)圖樣標(biāo)注的最小成形厚度”?！秹毫θ萜鞣忸^》GB/T 25198—2010中6.3.13明確規(guī)定：“根據(jù)制造工藝確定封頭的投料厚度，以確保封頭的成品最小成形厚度不小于設(shè)計(jì)要求的最小成形厚度”。兩套新標(biāo)準(zhǔn)均要求“不小于最小成形厚度”代替“最小厚度不小于名義厚度減鋼板負(fù)偏差（δn-c1）”，確立了最小成形厚度的作用。《壓力容器封頭》GB/T 25198—2010中明確要求圖樣標(biāo)注“封頭最小成形厚度”，但標(biāo)準(zhǔn)中未給出確定最小成形封頭的計(jì)算方法，在此提出對(duì)封頭最小成形厚度計(jì)算方法的理解。

1 封頭最小成形厚度的理解

根據(jù)《壓力容器》（GB/T 150—2011）封頭名義厚度等于計(jì)算厚度、加厚度負(fù)偏差、加腐蝕余量、加圓整，封頭名義與投料厚度無(wú)關(guān)，不考慮封頭成形減薄率。最小成形厚度為計(jì)算厚度加腐蝕余量。計(jì)算公式見式（1）和式（2）。

式中 δ——計(jì)算厚度

δn—— —名義厚度

δmin—— —最小成形厚度

c1—— —鋼板厚度負(fù)偏差

c2—— —腐蝕余量

Δ—— —圓整數(shù)

例1：以內(nèi)徑為基準(zhǔn)的受內(nèi)壓（凹面受壓）標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算。設(shè)計(jì)壓力P=2.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度t=200℃，封頭內(nèi)徑Di=2000 mm，腐蝕余量c2=1，封頭材料Q345R，試設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。

解：計(jì)算壓力Pc=P=2.5 MPa，按 δn=3～16 mm查 GB/T 150.2——2011表2，取設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 [σ]t=183 MPa，查 GB/T 150.3—— —2011 表 5-1，K=1.0，焊接接頭系數(shù) φ=1，GB/T 713—2014鋼板負(fù)偏差c1=0.3，c2=1。封頭計(jì)算厚度按GB/T 150.3—— —2011 之式（5-1）確定，即（3）式。

封頭名義厚度 δn=δ+c1+c2+Δ=16 mm，最小成形厚度 δmin=δ+c2=14.71 mm，封頭標(biāo)記 EHA2000×16（14.71）。由于封頭成形有減薄，按《壓力容器封頭》GB/T 25198—2010附錄J，減薄率為13%，封頭投料厚度為18 mm，封頭減薄量c3=18×0.13=2.34 mm，按δn=18～36 mm 查 GB/T 150.2—— —2011 表 2，取[σ]t=170 MPa 。封頭計(jì)算厚度按 GB/T 150.3—— —2011之式（5-1）確定，即（4）式。

得到封頭名義厚度δn=20 mm，投料厚度18 mm，計(jì)算厚度要20 mm，說明投料厚度需要20 mm，投料厚度18 mm不能滿足強(qiáng)度要求，原因在于，當(dāng)δn=3～16 mm，設(shè)計(jì)溫度t=200℃時(shí)，[σ]t=183 MPa，當(dāng) δn=18-36 mm，設(shè)計(jì)溫度 t=200 ℃時(shí)，[σ]t=170 MPa，隨著厚度的增加，許用應(yīng)力減小，增加厚度反而要求更厚的材料才能滿足封頭強(qiáng)度要求，偏面地認(rèn)為增加板厚就會(huì)滿足強(qiáng)度要求會(huì)給設(shè)備安全造成隱患。

例1算出封頭最小成形厚度δmin=14.71 mm，封頭標(biāo)記EHA2000×16（14.71）。如果封頭標(biāo)記 EHA2000×36（34.8），為了達(dá)到最小厚度，投料厚度必須＞36 mm，36 mm的Q345R材料供貨狀態(tài)為熱軋，而＞36 mmQ345R材料供貨狀態(tài)為正火狀態(tài)。又如封頭標(biāo)記EHA2000×30（28.8）為了達(dá)到最小厚度，必須投料厚度必須＞30 mm，而＞30 mm的Q345R板材，必須逐張進(jìn)行超聲檢測(cè)，焊接接頭必須做100%無(wú)損檢測(cè)，而＞32 mm的Q345R，焊接接頭必須做焊后熱處理，標(biāo)記為 EHA2000×60（57）16MnDR 封頭，為了達(dá)到最小厚度，必須投料厚度必須＞60 mm，板材＜60 mm時(shí)，沖擊試驗(yàn)溫度為-40℃，＞60 mm時(shí)，沖擊試驗(yàn)溫度為-30℃，而且沖擊吸收能量也不同。

從例1可以看出，設(shè)計(jì)時(shí)不考慮封頭成形減薄，名義厚度與投料厚度不同，實(shí)際投料重量大于圖紙標(biāo)注重量，造成制造成本比預(yù)算時(shí)大。按照上例確定封頭最小成形厚度，僅保證內(nèi)壓情況下封頭本身強(qiáng)度，而封頭開孔或管口有軸力、彎矩等情況下，封頭實(shí)際成形厚度要比圖紙標(biāo)注的最小成形厚度大，但厚度增加值在設(shè)計(jì)之初并未計(jì)入強(qiáng)度計(jì)算內(nèi)，而導(dǎo)致設(shè)計(jì)過于保守，甚至導(dǎo)致開孔補(bǔ)強(qiáng)不能通過或者管口應(yīng)力計(jì)算不能通過，而再次增加封頭厚度。

2 新的封頭最小成形厚度計(jì)算方法

封頭最小成形厚度由投料厚度以及封頭成形減薄率決定，《壓力容器封頭》GB/T 25198——2010附錄J給出了封頭成形減薄率，根據(jù)投料厚度與減薄率，可以算出最小成形厚度。為此，提出將封頭名義厚度理解為投料厚度進(jìn)行最小成形厚度計(jì)算方法，見式（5）式和（6）式。

將上述例1重新計(jì)算。

例 2：按 δn=18～36 mm 查 GB/T 150.2—— —2011 表 2，取[σ]t=170 MPa。

δ=（KPcDi）)/[2[σ]tφ-0.5Pc]=(1×2.5×2000)/{2×170×1-0.5×2.5}=14.76 mm

封頭設(shè)計(jì)厚度δd=δ+c1+c2+c3=14.76+0.3+1+2.6=18.66 mm

按GB/T 25198—2010附錄J給出的封頭成形減薄率，得到封頭減薄量c3=20×0.13=2.6 mm。封頭名義厚度δn取20 mm，封頭有效厚度 δe=δn-c1-c2-c3=20-0.3-1-2.6=16.1 mm，δe＞0.15%Di=3.0 mm，滿足穩(wěn)定要求。最小成形厚度δmin=δn（1-減薄率）=17.4 mm ，封頭標(biāo)記 EHA2000×20（17.4）。

同例1對(duì)比，由于考慮了材料減薄率，封頭實(shí)際最小厚度大于上例中的計(jì)算厚度加腐蝕裕量，在開孔補(bǔ)強(qiáng)等計(jì)算中得到了充分利用，有效地節(jié)省了材料，符合國(guó)家節(jié)能減排政策。名義厚度擴(kuò)張為投料厚度的計(jì)算方法，解決了壓力容器因厚度增加應(yīng)力減小引起的強(qiáng)度不足問題，解決了投料厚度與名義厚度不同造成材料供貨狀態(tài)、鋼板超聲、無(wú)損檢測(cè)、焊后熱處理、沖擊吸收能量不同等多方面問題。因此名義厚度考慮減薄率的計(jì)算方法，將名義厚度擴(kuò)展為投料厚度的計(jì)算方法更為合理實(shí)用。

3 結(jié)語(yǔ)

通過實(shí)例計(jì)算和對(duì)比驗(yàn)證，確定了實(shí)用可行的壓力容器封頭最小成形厚度的計(jì)算方法，解決了壓力容器設(shè)計(jì)和制造過程中技術(shù)及商務(wù)等問題。

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〔編輯 利 文〕