淺談壓力容器碟形封頭壁厚計算

胡少存 姚波

摘 要：壓力容器是指盛裝氣體或者液體，并承受一定壓力的密閉容器，應用范圍較廣，它是在石油化學工業、能源工業、科研和軍工等國民經濟的各個部門都起著重要作用的設備。壓力容器主要有筒體、封頭、接管法蘭、支座等部件組成，碟形封頭作為封頭中的一種，是壓力容器中非常重要的一個部件，碟形封頭的壁厚合理選擇對壓力容器的安全性和經濟性起著非常重要的作用。因此，在滿足壓力容器安全性的前提下，應合理選擇碟形封頭的壁厚。

關鍵詞：壓力容器;碟形封頭;封頭壁厚

碟形封頭又稱帶折邊球形封頭，由一個球面、一定高度的圓筒直邊和連接以上兩個部分的曲率半徑小于球面半徑的過渡部分組成。通常我們用Di表示容器內徑，Ri表示碟形封頭球面部分內半徑，r表示碟形封頭過渡段轉角半徑，dh表示封頭名義厚度，碟形封頭球面部分的內半徑應不大于封頭的內直徑，封頭轉角內半徑應不小于封頭內直徑的10%，且不得小于3 倍的名義厚度。詳見下圖1。

封頭壁厚是根據設備設計壓力、設計溫度、容器材質、焊接接頭系數等使用條件，依照標準提供的公式進行計算后加上腐蝕裕量、封頭加工減薄量和厚度負偏差并圓整后得到的。承受內壓的碟形封頭，當其壁厚與直徑之比較小的時候，除應考慮內壓下的強度失效計算外，還應考慮過渡區的塑性垮塌或內壓失穩問題，所以國家標準GB/T150.3-2011《壓力容器 第3 部分： 設計》對碟形封頭的最小厚度做了規定：“對于Ri/r ≤ 5.5的碟形封頭，其有效厚度應不小于封頭內直徑的0.5%，其他碟形封頭的有效厚度應不小于封頭內直徑的0.30%。但當確定封頭厚度時已考慮了內壓下的彈性失穩問題，可不受此條限制。”按此規定，一般對于低壓大直徑的壓力容器，一般按公式計算出來的厚度較小，而實際上為了滿足有效厚度不得不增加名義厚度，從而增加成本。例：現設計一臺壓力容器儲罐，結構為一段筒體加2個碟形封頭，儲罐內徑φ3000mm，選用標準碟形（Ri/r = 10）封頭，Ri = 3000mm，r = 300mm，計算壓力Pc=0.20MPa，設計溫度T=100℃，材質選用S30408（材料標準GB/T24511-2017），焊接接頭系數取1.0，求碟形封頭名義厚度。（1）第一種計算方法：按GB/T150.3-2011《壓力容器 第3部分：設計》計算。按公式封頭計算厚度：

由于封頭在加工成型后，由于壓制的原因厚度會產生一定的減薄，封頭的加工減薄量是根據封頭材質、直徑、名義厚度和加工工藝確定的，此處加工減薄量取0.78mm。名義厚度=3.37mm+封頭加工減薄量0.78mm+鋼材厚度負偏差0.30mm向上圓整可以取5mm。此例中Ri/r=10按照有效厚度應不小于封頭內直徑的0.30%的規定：0.30%×3000=9mm，此處加工減薄 量取1.44mm。名義厚度=9.00mm+封頭加工減薄量1.44mm+鋼材厚度負偏差0.30mm向上圓整取12mm。綜上所述：由于GB/150.3-2011中沒有給出計算封頭彈性失穩的計算方法，所以本例最終封頭壁厚選12mm。（2）第二種計算方法：按照HG/T20582-2020中第23章“內壓薄壁凸形封頭的設計和計算”，按此方法計算的封頭可不受現行國家標準《壓力容器 第3部分： 設計》GB/T150.3-2011對最小壁厚的限制，對于上面的例題，我們依據HG/ T20582-2020《鋼制化工容器強度計算規范》的計算方法計算如下：

由上表可以看出，在此例題中封頭名義厚度可以取5mm+封頭加工減薄量0.78mm+鋼材厚度負偏差0.3mm向上圓整取8mm。

結束語：通過對以上兩種計算方法的比較，同樣的設計條件，碟形封頭的壁厚取值相差很大，一個封頭壁厚為12mm，一個封頭壁厚為8mm， 我們可以查標準GB/T25198-2010《壓力容器封頭》得出一個封頭重量相差316kg，制造成本相差很大。對于低壓，大直徑壓力容器的碟形封頭計算可以采用GB/T150.3和HG/T20582-2020的相結合的計算方法，即是按照GB/ T150.3強度計算，按照HG/T20582-2020進行剛度計算，這樣取的最終名義厚度既滿足了強度要求又滿足了剛度要求，這樣可以減少壁厚，從而減少設備成本，可以有效地減少項目投資成本。

參考文獻：

[1]GB/T150.1-4-2011《壓力容器》，中國標準出版社出版發行，2012年2月第一版.

[2]HG/T20582-2020《鋼制化工容器強度計算規范》，北京科學技術出版社， 2021年4月1日實施.

[3]GB/T25198-2010《壓力容器封頭》，中國標準出版社出版發行，2011年1月第一版.

[4]GB/24511-2017《承壓設備用不銹鋼和耐熱鋼鋼板和鋼帶》中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，2017.12.29.