翟英明 鄧香中 李春光

（中國(guó)石油遼陽(yáng)石化分公司 遼陽(yáng) 111003）

壓力容器封頭的有效厚度

翟英明 鄧香中 李春光

（中國(guó)石油遼陽(yáng)石化分公司 遼陽(yáng) 111003）

壓力容器封頭的有效厚度能否滿足強(qiáng)度要求是壓力容器安全運(yùn)行的關(guān)鍵。壓力容器計(jì)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(fù)偏差來(lái)計(jì)算封頭的有效厚度。當(dāng)圖樣上標(biāo)有封頭最小成形厚度時(shí)，采用這種方法進(jìn)行容器的最大允許工作壓力與開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)，結(jié)果偏大，而臥式容器封頭的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果偏小，應(yīng)采用設(shè)計(jì)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(wèn)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(qiáng)度要求是壓力容器安全運(yùn)行的關(guān)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(fù)偏差來(lái)計(jì)算封頭的有效厚度［1］。近幾年對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)單位進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，其計(jì)算書(shū)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(wèn)題。GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》規(guī)定［2］，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。當(dāng)圖樣上標(biāo)有封頭最小成形厚度時(shí)，仍按上述方法確定封頭的有效厚度，結(jié)果偏大。用此結(jié)果進(jìn)行容器的校核計(jì)算時(shí)，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(shè)計(jì)要求的最小厚度，應(yīng)不小于封頭的設(shè)計(jì)厚度。制造時(shí)，成品封頭實(shí)測(cè)的最小厚度必須大于設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭為例，其圖樣標(biāo)注為EHA800×10（8.5）。意味成品封頭實(shí)測(cè)的最小厚度可以是8.5mm。

2.2 封頭的有效厚度

壓力容器設(shè)計(jì)中，封頭的有效厚度計(jì)算如下（符號(hào)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(fù)偏差，mm；

C2—— 腐蝕裕量，mm。

以2.1條所述封頭為例，當(dāng)腐蝕裕量為2mm，鋼板負(fù)偏差為0.3mm時(shí)，封頭有效厚度的計(jì)算值為7.7mm。但當(dāng)圖樣規(guī)定最小成形厚度，也就是允許成品封頭實(shí)測(cè)的最小厚度是8.5mm時(shí)，實(shí)際封頭的有效厚度應(yīng)為：

式中：

δnc——封頭的最小成形厚度，mm。

即：實(shí)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(jì)算的結(jié)果偏大。

3 封頭計(jì)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(shè)計(jì)》中式（5-3）計(jì)算，即：

式中：

［σ］t—— 設(shè)計(jì)溫度下封頭材料的許用應(yīng)力，MPa；

φ —— 焊接接頭系數(shù)；

K —— 封頭的形狀系數(shù)；

Di—— 封頭內(nèi)徑，mm。

設(shè)封頭材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力為170MPa，焊接接頭系數(shù)為0.85，封頭的形狀系數(shù)和內(nèi)徑分別為1和800mm，則按式（1）與式（2）計(jì)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(jì)算封頭的最大允許工作壓力偏高。當(dāng)容器按最大允許工作壓力操作時(shí)，存在安全隱患。

3.2 封頭的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)

在封頭的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)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(jì)算，即：

式中：B —— 補(bǔ)強(qiáng)有效寬度，mm；

dop—— 開(kāi)孔直徑，mm；

δh—— 封頭的計(jì)算厚度，

mm；δet—— 接管有效寬度，

mm；fr—— 強(qiáng)度削弱系數(shù)。

假設(shè)接管與封頭材料的許用應(yīng)力相同，即：fr=1；開(kāi)孔有效范圍為B=2dop，則上式可簡(jiǎn)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(jì)算的封頭多余金屬面積偏大，在判斷需不需要另加補(bǔ)強(qiáng)金屬時(shí)，有可能得出相反的結(jié)論。因此，補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的結(jié)果是不可靠的。

3.3 臥式容器封頭的應(yīng)力計(jì)算

對(duì)于橢圓形封頭內(nèi)壓在封頭中引起的應(yīng)力按NB/T 47042—2014式（13）計(jì)算［3］，即：

式中：

Pc—— 封頭的計(jì)算壓力，MPa；

圓筒被封頭加強(qiáng)時(shí)，封頭的最大應(yīng)力按NB/T 47042—2014 《臥式容器》式（11）計(jì)算，即：

式中：

K4—— 系數(shù)；

F —— 每個(gè)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(jì)算應(yīng)力與封頭的名義厚度成反比。因此，其應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果偏小，存在不安全因素。

4 封頭軟件計(jì)算中的處理

目前，國(guó)內(nèi)的壓力容器設(shè)計(jì)計(jì)算一般采用“SW6” 計(jì)算軟件，封頭的名義厚度輸入值應(yīng)作調(diào)整。因?yàn)榉忸^的最小成形厚度不應(yīng)包含鋼板負(fù)偏差，所以封頭的名義厚度輸入值應(yīng)為封頭的最小成形厚度加上鋼板負(fù)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(jí)工程師，從事壓力容器設(shè)計(jì)審核和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。

2016-06-02）