壓力容器封頭型式及強度校核

付紅栓，沈俊，李趙，金立璽

壓力容器封頭型式及強度校核

付紅栓，沈俊，李趙，金立璽

（上海市特種設備監督檢驗技術研究院，上海 200062）

壓力容器的封頭形式有多種，其中橢圓形封頭廣泛的應用于重要的石油化工設備中，因其受力均衡且易于制造加工等優點。根據標準推導出橢圓形封頭的計算厚度公式并進行了強度校核，利用三維分析軟件對封頭的靜力學和疲勞載荷進行了分析，其結論是封頭的受力最大應力在熱沖壓成形與直邊連接的半徑部位，最大位移在封頭頂部。

橢圓形封頭；強度校核；靜力學；疲勞載荷

壓力容器是石油化工行業的重要設備，在各行各業中已得到廣泛的使用，在日常生活中占的比重越來越重。在石油煉化、農資醫藥、冶金等行業中，壓力容器所占到的比重約為總量的三分之一。壓力容器屬于承壓類設備，承受的壓力從零點幾兆帕到幾十兆帕甚至幾百兆帕的超高壓，盡管我國的制造行業水平有了長足的發展，但是安全運行過程中受到諸多因素的影響，一旦發生泄漏或者爆炸將引發的嚴重后果，因此壓力容器的安全性越來越受到重視[1-2]。其主要受壓元件有筒節、球殼板、封頭、平蓋、膨脹節、設備法蘭、換熱器的管板和換熱管、螺柱M36以上的以及公稱直徑大于或者等于 250 mm的接管和管法蘭，本文就壓力容器橢圓形封頭進行研究分析。

1 封頭型式

一般簡單的壓力容器由筒體和封頭焊接而成。封頭型式多種多樣，常見的主要有受了內壓或外壓的凸形封頭、平蓋封頭、錐形封頭等。其中凸形封頭包括橢圓形封頭、蝶形封頭、球冠形封頭、半球形封頭[2]。

2 橢圓形封頭的強度校核

在常溫常壓及靜載荷作用下，壓力容器強度失效的主要形式是屈服和斷裂，對于韌性材料，在單向拉伸應力作用下，屈服失效的數學表達式為：

式中：R—材料的屈服強度，MPa。

對于承受內壓的薄壁圓筒殼，軸向和周向薄膜應力為：

軸向

周向

式中：—圓筒計算厚度，mm；

—圓筒中面直徑，mm；

—圓筒內壓，MPa。

脫胎于公共行政的中國公共管理學科，是一個集政治學、經濟學、管理學、人口學、法學、社會學等研究視角與方法于一身并不斷向更多元學科融合的方向發展的新興學科，其學科特性決定了在本科生的培養過程中，必須搭建一個寬泛的學科基礎平臺，并著眼于分析、研究與實踐能力的培養。從全國設有公共管理類專業的院校的本科生招生情況來看，主要是按大類招生和分專業招生兩種，不論是前者和后者，最后都會落腳到具體的專業方向選擇，只是時間的早晚而已，因而在人才培養的路徑選擇上，兩種招生方式基本上是如出一轍，這就決定了無論采取何種招生方式，導師制都能體現其對公共管理學科發展的適應性和推動性。

取等號得為：

圓筒厚度計算式為：

或：

式中：—焊接接頭系數；

0—圓筒外徑，mm。

橢圓形封頭計算厚度按式（9）或式（10）計算得：

或：

式中：—橢圓形封頭形狀系數，K=1為標準橢圓。

3 封頭的成型厚度及強度校核

壓力容器封頭作為壓力容器主要承壓零部件，其作用舉足輕重，而封頭的用材及其厚度計算方法都將影響整套設備。隨著化工設備的高速發展，許多作業工況要求得也比較苛刻，例如超高溫、強腐蝕、臨氫環境等，因而有色金屬及合金材料應運而生。

常規從GB150可以得出，根據標準計算得到的厚度為計算厚度，計算厚度加上腐蝕裕量等于設計厚度，設計厚度加上材料厚度負偏差后圓整至材料標準規格的厚度是名義厚度，受壓元件成型后保證設計要求的最小厚度為最小成型厚度。而確定壓力容器封頭最小厚度一般的方法是等于設計厚度[3-5]。

3.1 影響封頭的成型厚度的因素

3.1.1 材料剛度

剛度是指材料或結構在受力時抵抗彈性變形的能力，是材料或結構彈性變形難易程度的表征。壓力容器封頭在承受內或外壓力的同時本身必須具備一定的剛度，以免發生變形甚至破壞。因此，殼體成型后的實際最小厚度應當滿足制造、運輸、安裝、使用等要求[6]。

3.1.2 工作壓力

工作壓力是影響壓力容器的最主要的因素，工作壓力分為內壓和外壓，封頭是主要的受壓元件之一，根據公式（11）或公式（12）可以得到封頭的計算厚度，由計算厚度、腐蝕裕量可以推出設計厚度，從而得知的封頭的最小成型厚度[7-9]。

3.1.3 開孔補強

壓力容器的開孔補強方式有多種，常用的補強方式主要有補強圈補強法和整體補強法。

3.1.4 坯料

在成形過程中，坯料邊緣部位會明顯的變厚，使坯料嚴重拉薄，模具之間的間隙對封頭壁厚的影響還是比較大的[10]。

3.2 根據具體事例進行校核

壓力容器封頭設計舉例：根據某化工廠液氮儲罐，工藝參數為工作溫度120 ℃，設計溫度150 ℃；公稱工作壓力1.8 MPa，設計壓力2 MPa；公稱容積10 000 L；公稱直徑1 500 mm；封頭材質為Q345R，焊縫焊接型式采用全焊透，局部無損檢測，腐蝕余量為2 mm，標準橢圓形封頭。

查表GB150得：焊接接頭系數為0.85；Q345R在工作溫度150 ℃時，許用應力為189 MPa；標準橢圓形封頭系數=1。由公式（11）得，封頭計算厚度h= 9.40 mm，故計算厚度h= 11.40 mm。

在SolidWorks環境中對封頭進行靜應力學仿真分析，分析結果如圖1至圖4所示。

圖1 應力圖

圖2 位移圖

圖4 載荷因子

由圖1可知，封頭的最大應力在熱沖壓成型與直邊連接的半徑部位，其值為20.3 MPa；由圖2可知，最大位移在封頭頂部，其值為1.2 mm；由圖3可知，損壞百分比為10%。

4 結 論

本文對壓力容器封頭進行了強度校核并利用SolidWorks軟件對封頭進行了模擬仿真，結果是封頭的受力最大應力在熱沖壓成型與直邊連接的半徑部位，最大位移在封頭頂部。

[1] 魯雨，賀小華.內壓標準橢圓封頭彈塑性屈曲分析及失效載荷研究[J].壓力容器，2019，36（11）：25-33.

[2] 張正棠，孫寶財.壓力容器常見缺陷分析及影響[J].遼寧化工，2021，50（2）：232-234.

[3] 劉旭.橢圓形封頭厚度的設計[J].中氮肥，2019（5）：55-58.

[4] 計雪潔，張陳.基于ANSYS Workbench的壓力容器封頭設計[J].現代制造技術與裝備，2018（11）：44-45.

[5] 王戰輝，馬向榮.凸形封頭壓力容器優化設計[J].輕工機械，2019，37（2）：98-104.

[6] 張偉.帶球封圓筒外壓計算長度的確定[J].化工設計通訊，2018，44（8）：137.

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[8] 張燕.橢圓形封頭開孔接管結構失穩臨界壓力研究[J].機械設計與制造，2018（S2）：130-133.

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[10] 田一宏，黃斌，石磊.壓力容器封頭焊接工藝試驗與實踐[J].石油化工設備，2020，49（6）：55-58.

Pressure Vessel Head Type and Strength Check

(Shanghai Special Equipment Supervision and Inspection Technology Research Institute, Shanghai 200062,China)

There are many forms of pressure vessel head, the elliptical head is widely used in important petrochemical equipments because of its advantages of force balance and easy to manufacture and processing. In this paper, the thickness formula of elliptical head was deduced according to the standard,and the strength was checked.The statics and fatigue load of the head were analyzed by using three dimensional analysis software. The results showed that the maximum stress of the head was in the radius of the hot stamping forming and the straight edge, the maximum displacement was at the top of the head.

Ellipsoidal head; Strength check; Statics; Fatigue loading

2021-08-24

付紅栓（1985-），男，河南省濮陽市人，工程師，碩士， 2013年畢業于遼寧石油化工大學機械制造與自動化專業，研究方向：壓力容器、壓力管道定期檢驗。

TQ050.1

A

1004-0935（2022）03-0361-03