關(guān)于壓力容器設(shè)計(jì)圖樣封頭厚度標(biāo)注的探討

蔣祖威

摘 要：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖樣中厚度標(biāo)注的相關(guān)規(guī)定和最小成形厚度確定的影響因素進(jìn)行了分析， 對(duì)常見情況下的壓力容器封頭設(shè)計(jì)圖樣最小成形厚度的確定和標(biāo)注進(jìn)行了討論，為壓力容器設(shè)計(jì)圖樣封頭厚度標(biāo)注提供了參考。

關(guān)鍵詞：封頭;最小成形厚度;厚度標(biāo)注

引言

凸形封頭是壓力容器的主要受壓元件，對(duì)壓力容器安全運(yùn)行起著非常重要的作用。厚度是壓力容器最主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，是在規(guī)定的載荷條件下，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)剛度及使用壽命的基本條件之一。壓力容器封頭制造單位是依據(jù)設(shè)計(jì)圖樣上標(biāo)注的封頭厚度，結(jié)合自身制造工藝和技術(shù)水平來進(jìn)行封頭下料鋼坯規(guī)格選擇。因此，設(shè)計(jì)圖樣上封頭厚度的標(biāo)注：一方面須對(duì)封頭成形的最小厚度進(jìn)行限定，以確保凸形封頭在成形過程中發(fā)生局部厚度減薄后仍能滿足使用功能和安全要求，另一方面則會(huì)影響封頭制造單位下料鋼坯厚度規(guī)格的選擇，進(jìn)而影響封頭成本，而且若下料鋼坯厚度過厚，與筒節(jié)厚度之間差異較大，還將影響產(chǎn)品外觀。本文對(duì)壓力容器封頭設(shè)計(jì)圖樣上厚度標(biāo)注進(jìn)行了探討，可為設(shè)計(jì)者提供參考。

1 GB150-2011 中對(duì)設(shè)計(jì)圖樣中厚度標(biāo)注的規(guī)定

GB150.4-2011 [1]在 6.1.1 條中對(duì)封頭最小成形厚度作了這樣的規(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的實(shí)際厚度不小于設(shè)計(jì)圖樣標(biāo)注的最小成形厚度”。與 6.1.1 條對(duì)應(yīng)，GB150.1-2011 中 4.3.8 條規(guī)定：“容器元件的名義厚度和最小成形厚度一般應(yīng)標(biāo)注在設(shè)計(jì)圖樣上”，即設(shè)計(jì)圖樣中封頭厚度應(yīng)進(jìn)行名義厚度/最小成形厚度雙重標(biāo)注。GB150.1-2011 對(duì)“最小成形厚度”只是定義為：“受壓元件成形后保證設(shè)計(jì)要求的最小厚度” ，并沒有對(duì)設(shè)計(jì)文件中該如何標(biāo)注最小成形厚度做出詳細(xì)的解釋和規(guī)定。

2最小成形厚度的確定

最小成形厚度定義為受壓元件成形后保證設(shè)計(jì)要求的最小厚度，即最小成形厚度要保證封頭在相應(yīng)載荷作用下的安全性。對(duì)于壓力容器封頭的設(shè)計(jì)，一般應(yīng)考慮的載荷有壓力載荷、液體靜壓力、容器及附件的重力載荷風(fēng)載荷、地震力、雪載荷、支座反作用力、運(yùn)輸或吊裝時(shí)的作用力等。壓力容器封頭厚度確定影響因素較多，本文擬對(duì)壓力容器常見工況下封頭最小成形厚度的確定進(jìn)行分析。

2.1封頭無開孔（決定因素為內(nèi)壓載荷工況）

依據(jù) GB150-2011 中對(duì)受壓元件各厚度的定義可知：計(jì)算厚度是在規(guī)定的載荷條件下保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性所必須的厚度;設(shè)計(jì)厚度是同時(shí)又保證規(guī)定的設(shè)計(jì)壽命所必須的厚度。保證封頭的設(shè)計(jì)厚度即可滿足封頭的使用功能、壽命和安全要求。對(duì)于內(nèi)壓封頭無開孔的情況，由于不涉及開孔補(bǔ)強(qiáng)，采用封頭的設(shè)計(jì)厚度作為設(shè)計(jì)圖樣中的最小成形厚度較為合理，此時(shí)所需的封頭下料鋼坯厚度最小，材料節(jié)省，成本降低。

2.2封頭有開孔（決定因素為內(nèi)壓載荷工況）

當(dāng)封頭上存在開孔時(shí)，封頭上就有可能要有一部分厚度用于補(bǔ)強(qiáng)，若直接以封頭的設(shè)計(jì)厚度作為最小成形厚度，則有可能出現(xiàn)封頭開孔部位補(bǔ)強(qiáng)不足，存在安全隱患。此時(shí)，設(shè)計(jì)圖樣上的最小成形厚度宜為設(shè)計(jì)厚度加上開孔補(bǔ)強(qiáng)所需的厚度（補(bǔ)強(qiáng)厚度）：

對(duì)于多個(gè)開孔，只要逐一計(jì)算各開孔所對(duì)應(yīng)的封頭的補(bǔ)強(qiáng)厚度，然后取其大者就得封頭的補(bǔ)強(qiáng)厚度。

臥式容器封頭（決定因素是內(nèi)壓載荷工況）

對(duì)臥式容器都是采用有效厚度δe進(jìn)行核算的[3]。若不考慮其他因素，則當(dāng)臥式容器的封 頭對(duì)筒體起加強(qiáng)作用時(shí)，所標(biāo)注的封頭最小成形厚度應(yīng)該是封頭的有效厚度加腐蝕余量之和， 即“名義厚度減去鋼板負(fù)偏差”：δmin = δe + C2。此時(shí)，設(shè)計(jì)厚度加鋼板負(fù)偏差后向上圓整? 為名義厚度時(shí)得圓整值沒有得到充分利用，在封頭制造下料時(shí)會(huì)存在人為的二次圓整，降低 了封頭制造的經(jīng)濟(jì)性。在這種情況下，若封頭的供貨廠家已確定，且設(shè)計(jì)者對(duì)封頭成形工藝 及供貨廠家的制造工藝和技術(shù)水平較為熟悉，筆者認(rèn)為，設(shè)計(jì)者可以在設(shè)計(jì)階段就考慮封頭 的加工余量，并在圖樣上標(biāo)注下料鋼坯厚度和最小成形厚度，以避免設(shè)計(jì)厚度圓整為名義厚 度時(shí)的設(shè)計(jì)圓整。其中下料鋼坯厚度為：

最小成形厚度以δmin = δ n圖- C1-C3為宜[4]。值得注意的是，封頭成形減薄量C3應(yīng)該將其視為“腐蝕裕量”，不能計(jì)入有效厚度及用于其他計(jì)算校核過程。若封頭上有開孔，δn圖中還應(yīng)計(jì)及補(bǔ)強(qiáng)厚度。

2.4立式容器封頭

對(duì)于立式容器來說，支座反力、風(fēng)載荷、雪載荷、地震載荷等常常是不容忽略的附加載荷，壓力載荷有時(shí)可能不是封頭厚度的決定因素。如對(duì)于處于風(fēng)力較大地區(qū)的低壓立式容器， 風(fēng)載荷可能是容器厚度的決定因素。同樣，支座反力、地震力、雪載荷等也可能是厚度的決定因素。此時(shí)，封頭的最小成形厚度應(yīng)分析封頭厚度各影響因素的影響，通過計(jì)算校核得到。

2.5封頭厚度處于材料的厚度極限（鋼板許用應(yīng)力出現(xiàn)跳躍的厚度）

某些鋼板，如 Q345R，隨著鋼板厚度的增加，在某些厚度段材料的許用應(yīng)力將會(huì)下降。作為設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮封頭工藝人員增加厚度時(shí)，引起封頭成形后的最小厚度不滿足設(shè)計(jì)要求的這種情況，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行封頭強(qiáng)度驗(yàn)算，必要時(shí)適當(dāng)增加最小成形厚度，避開厚度極限值。

2.6考慮封頭與筒身的對(duì)接

在封頭的設(shè)計(jì)過程中，常需要考慮與筒身的對(duì)接。一般在設(shè)計(jì)條件確定后，封頭的名義厚度和最小成形厚度就能初步確定。設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算后，要分析封頭名義厚度與最小成形厚度之間的關(guān)系，當(dāng)它們之間的差值不足以彌補(bǔ)工藝減薄量，建議提高筒體和封頭的名義厚度，這樣可避免封頭的機(jī)械加工，保證封頭與筒體的對(duì)接質(zhì)量，且封頭與筒體的對(duì)接宜以外圓周長(zhǎng)為基準(zhǔn)[5]。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)圖樣上封頭厚度的標(biāo)注關(guān)系著封頭的制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收及容器外觀。綜合以上分析對(duì)于壓力容器上封頭弧度的標(biāo)注，筆者提出如下意見和建議：

（1）封頭設(shè)計(jì)圖樣上應(yīng)標(biāo)注封頭的名義厚度和最小成形厚度。

（2）對(duì)于內(nèi)壓無孔封頭，最小成形厚度只要滿足設(shè)計(jì)厚度即可。

（3）對(duì)于內(nèi)壓有孔封頭，最小成形厚度為設(shè)計(jì)厚度加上開孔補(bǔ)強(qiáng)厚度。

（4）對(duì)于臥式容器，若封頭對(duì)筒體有加強(qiáng)作用，若可行，設(shè)計(jì)者宜在設(shè)計(jì)階段考慮加工余量，并在圖樣上標(biāo)注下料鋼坯厚度（δn 圖 = δ + C1 + C2 + C3 + ? ）和最小成形厚度

對(duì)于立式容器，需校核支座反力、風(fēng)載荷、雪載荷、地震載荷等附加載荷對(duì)封頭厚度的影響。

對(duì)于封頭厚度處于厚度極限時(shí)，需對(duì)封頭的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，必要時(shí)，應(yīng)增加最小成形厚度，以避開厚度極限。

封頭厚度影響因素較多，在工程實(shí)際中，封頭最小成形厚度的確定必須綜合考慮封頭強(qiáng)度、剛度、壽命、載荷特點(diǎn)，容器外觀等因素，設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)分析封頭投料厚度、封頭最小成形厚度和名義厚度三者之間的關(guān)系，盡量給出一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的數(shù)值，以降低封頭制造和筒體對(duì)接的難度，同時(shí)又保證容器制造質(zhì)量和安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB 150.1～150.4 -2011 壓力容器。 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社。

[2] 張志輝. 壓力容器最小成形厚度標(biāo)注探討. 石油化工設(shè)備. 2013. 42（3）：45-47。

[3]JB/T 4731-2005 . 鋼制臥式容器. 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社。

（東方電氣（廣州）重型機(jī)器有限公司技術(shù)部，廣東 廣州 510000）