壓力容器封頭的有效厚度

翟英明 鄧香中 李春光

（中國石油遼陽石化分公司 遼陽 111003）

壓力容器封頭的有效厚度

翟英明 鄧香中 李春光

（中國石油遼陽石化分公司 遼陽 111003）

壓力容器封頭的有效厚度能否滿足強度要求是壓力容器安全運行的關鍵。壓力容器計算中通常采用封頭的名義厚度減去腐蝕裕量與鋼板厚度負偏差來計算封頭的有效厚度。當圖樣上標有封頭最小成形厚度時，采用這種方法進行容器的最大允許工作壓力與開孔補強計算時，結果偏大，而臥式容器封頭的應力計算結果偏小，應采用設計所需的最小成形厚度減去腐蝕裕量作為封頭的有效厚度，才能保證壓力容器的使用安全。

壓力容器封頭 有效厚度 最小成形厚度

1 問題的提出

壓力容器封頭是壓力容器的主要受壓元件，其有效厚度能否滿足強度要求是壓力容器安全運行的關鍵。壓力容器通常采用封頭的名義厚度減去腐蝕裕量與鋼板厚度負偏差來計算封頭的有效厚度［1］。近幾年對壓力容器設計單位進行檢查發現，其計算書均采用這種方法確定封頭的有效厚度，因此是帶有共性的問題。GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》規定［2］，設計圖樣上應標注封頭的名義厚度和最小成形厚度。當圖樣上標有封頭最小成形厚度時，仍按上述方法確定封頭的有效厚度，結果偏大。用此結果進行容器的校核計算時，存在一定的安全隱患。

2 封頭的有效厚度

2.1 封頭的最小成形厚度

封頭的最小成形厚度是封頭成形后保證設計要求的最小厚度，應不小于封頭的設計厚度。制造時，成品封頭實測的最小厚度必須大于設計所需的最小成形厚度。

以DN800，名義厚度10mm，最小成形厚度8.5mm的標準橢圓形封頭為例，其圖樣標注為EHA800×10（8.5）。意味成品封頭實測的最小厚度可以是8.5mm。

2.2 封頭的有效厚度

壓力容器設計中，封頭的有效厚度計算如下（符號意義同GB 150—2011 《鋼制壓力容器》，下同）：

式中：

δeh—— 封頭的有效厚度，mm；

δnh—— 封頭的名義厚度，mm；

C1—— 材料厚度負偏差，mm；

C2—— 腐蝕裕量，mm。

以2.1條所述封頭為例，當腐蝕裕量為2mm，鋼板負偏差為0.3mm時，封頭有效厚度的計算值為7.7mm。但當圖樣規定最小成形厚度，也就是允許成品封頭實測的最小厚度是8.5mm時，實際封頭的有效厚度應為：

式中：

δnc——封頭的最小成形厚度，mm。

即：實際封頭的有效厚度為6.5mm。兩者形成1.2mm的厚度差。

因此，按式（1）計算的結果偏大。

3 封頭計算的安全隱患

3.1 封頭的最大允許工作壓力

封頭的最大允許工作壓力按GB 150.3—2011 《壓力容器第3部分：設計》中式（5-3）計算，即：

式中：

［σ］t—— 設計溫度下封頭材料的許用應力，MPa；

φ —— 焊接接頭系數；

K —— 封頭的形狀系數；

Di—— 封頭內徑，mm。

設封頭材料在設計溫度下的許用應力為170MPa，焊接接頭系數為0.85，封頭的形狀系數和內徑分別為1和800mm，則按式（1）與式（2）計算封頭的最大允許工作壓力分別為：2.77MPa，2.34MPa，差值為0.43MPa。因此，按式（1）計算封頭的最大允許工作壓力偏高。當容器按最大允許工作壓力操作時，存在安全隱患。

3.2 封頭的開孔補強

在封頭的開孔補強計算中，封頭的有效厚度主要影響封頭的多余面積的大小。其按GB 150.3—2011 中式（6-10）計算，即：

式中：B —— 補強有效寬度，mm；

dop—— 開孔直徑，mm；

δh—— 封頭的計算厚度，

mm；δet—— 接管有效寬度，

mm；fr—— 強度削弱系數。

假設接管與封頭材料的許用應力相同，即：fr=1；開孔有效范圍為B=2dop，則上式可簡化為：

為便于比較，將式（1）與式（2）的有效厚度分別代入式（3）并相減，則有：

因δeh＞ δ，故 ?A ＞0。所以，按式（1）計算的封頭多余金屬面積偏大，在判斷需不需要另加補強金屬時，有可能得出相反的結論。因此，補強計算的結果是不可靠的。

3.3 臥式容器封頭的應力計算

對于橢圓形封頭內壓在封頭中引起的應力按NB/T 47042—2014式（13）計算［3］，即：

式中：

Pc—— 封頭的計算壓力，MPa；

圓筒被封頭加強時，封頭的最大應力按NB/T 47042—2014 《臥式容器》式（11）計算，即：

式中：

K4—— 系數；

F —— 每個支座的反力，MPa；

Ra—— 與封頭相連接的圓筒的平均半徑mm。

上述公式均包含有封頭的有效厚度，且計算應力與封頭的名義厚度成反比。因此，其應力的計算結果偏小，存在不安全因素。

4 封頭軟件計算中的處理

目前，國內的壓力容器設計計算一般采用“SW6” 計算軟件，封頭的名義厚度輸入值應作調整。因為封頭的最小成形厚度不應包含鋼板負偏差，所以封頭的名義厚度輸入值應為封頭的最小成形厚度加上鋼板負偏差，即：

The Effective Thickness of Heads for Pressure Vessels

Zhai Yingming Deng Xiangzhong Li Chunguang
（Petrochina Liaoyang Petrochemical Company Liaoyang 111003）

The effective thickness of heads for pressure vessel what can meet the strength requirements is the key for safe operation of pressure vessel. It is often used to calculate the effective thickness of head in pressure vessel calculation that the nominal thickness minus the corrosion allowance and the thickness of the steel plate negative deviation. When the head's thickness minimum forming was marked， the maximum allowable working pressure and opening reinforcement for pressure vessels calculated by this method were relatively large， while the head's stress is relatively small for the horizontal vessel. It should used the minimum forming thickness minus the corrosion allowance as effective thickness of the head， to ensure the safe use of pressure vessels.

Pressure vessel head Effective thickness Minimum forming thickness

X933.4

B

1673-257X（2016）10-0025-02

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.10.005

翟英明（1962～），男，本科，高級工程師，從事壓力容器設計審核和新產品開發工作。

2016-06-02）