馬樹輝，白光野，劉清華，劉武善

中國石油工程建設(shè)有限公司 華北分公司（河北 任丘 062550）

0引言

橢圓形封頭因其應(yīng)力分布較為均勻且易于沖壓成型，目前在中、低壓容器中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。封頭類型、規(guī)格、材質(zhì)不同，其加工制造工藝亦不同。封頭可用整板或拼板經(jīng)冷沖壓、熱沖壓、冷旋壓、熱旋壓、冷卷、熱卷等方法成形，直徑較大的封頭也可分瓣成形后再組焊成封頭。加工成型的封頭制造過程中在力的作用下彎曲部分方向厚度會發(fā)生減薄,最大減薄發(fā)生在封頭的過渡區(qū),即封頭的小曲率半徑與封頭直段和大曲率半徑相切部分的圓弧區(qū)內(nèi)[2]，在最大加工減薄處，封頭檢測厚度即為封頭的成品最小厚度。對于封頭的最小成形厚度，GB/T 150—2011[3]6.1.1 中規(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?！痹贕B/T 25198—2010[4]6.3.13 中規(guī)定：“根據(jù)制造工藝確定封頭的投料厚度，以確保封頭的成品最小厚度不小于設(shè)計(jì)要求的最小成形厚度?！庇纱丝梢?，對于壓力容器用封頭，為保證壓力容器的安全運(yùn)行，不僅要求封頭最小成形厚度必須滿足壓力容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求，而且標(biāo)準(zhǔn)還要求了對壓力容器封頭厚度的標(biāo)注。

盡管在GB/T 25198—2010中規(guī)定了封頭設(shè)計(jì)標(biāo)記及封頭成品標(biāo)記，但設(shè)計(jì)方、制造方對相關(guān)法蘭厚度的認(rèn)識不同，使得設(shè)計(jì)單位及制造單位對此存在理解偏差[5—7]，影響著封頭合理性設(shè)計(jì)。

對此，基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及工程經(jīng)驗(yàn)，對受內(nèi)壓有、無開孔橢圓形封頭的最小成形厚度進(jìn)行了分析與計(jì)算，探究了設(shè)計(jì)、制造過程中各種封頭厚度之間的相互關(guān)系，同時對封頭標(biāo)記樣式提出了意見與建議，以期對于工程實(shí)踐提供經(jīng)驗(yàn)。

1 不同的封頭厚度定義及其相互關(guān)系

封頭的設(shè)計(jì)及制造過程中會涉及各種厚度，下面以應(yīng)用廣泛的橢圓形封頭為例，分別就其設(shè)計(jì)過程及制造過程中涉及的厚度進(jìn)行介紹。

1.1 設(shè)計(jì)過程中的厚度

計(jì)算厚度δ為按GB/T 150—2011公式計(jì)算得到的厚度；設(shè)計(jì)厚度δd為計(jì)算厚度與腐蝕裕量之和，δd=δ+C2；名義厚度δn為設(shè)計(jì)厚度加上材料厚度負(fù)偏差后向上圓整值材料標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，δn=δd+C1+Δ=δ+C2+C1+Δ；有效厚度δe為名義厚度減去腐蝕裕量和材料厚度負(fù)偏差，δe=δn-C1-C2。

1.2 制造過程中的厚度

對于封頭投料厚度（材料厚度）δS，為制造封頭時材料的投料厚度，通常大于封頭的名義厚度；封頭成品最小厚度δ′min，為成品封頭實(shí)測厚度最小值。

封頭厚度之間的相互關(guān)系如圖1所示。

2 封頭最小成形厚度的確定

關(guān)于封頭最小成形厚度，GB/T 150—2011標(biāo)準(zhǔn)釋義解釋為：①設(shè)計(jì)厚度；②在給定的元件名義厚度下，制造中可以達(dá)到的最大厚度；③有效厚度加腐蝕裕量。對此，曾慶楠[8]通過論述各種厚度之間的關(guān)系，認(rèn)為設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)具體情況在設(shè)計(jì)厚度、有效厚度加腐蝕裕量范圍內(nèi)進(jìn)行試算來確定最小成形厚度，取值范圍如（1）式：

式中：Δ為圓整量，mm；δd為設(shè)計(jì)厚度，mm；δmin為最小成形厚度，mm。

為進(jìn)一步確定Δ值，參考前人工作[9-10]，以受內(nèi)壓的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭為例，下面對有、無開孔兩種情況下封頭的最小成形厚度進(jìn)行分析。

2.1 無開孔封頭的最小成形厚度

根據(jù)GB/T 150—2011規(guī)定，其計(jì)算厚度：

式中：δ為封頭計(jì)算厚度，mm；K為橢圓封頭系數(shù)；Pc為設(shè)計(jì)壓力，MPa；Di為封頭內(nèi)徑或與其連接的圓筒內(nèi)徑，mm；[σ]t為設(shè)計(jì)溫度下封頭材料的許用應(yīng)力，MPa；φ為焊接接頭系數(shù)。

設(shè)計(jì)厚度

式中:δd為設(shè)計(jì)厚度，mm；C2為腐蝕裕量，mm。

因封頭上無開孔削弱其強(qiáng)度，結(jié)合考慮內(nèi)壓下封頭的彈性失穩(wěn)問題，其最小成形厚度可取值如下：

2.2 有開孔封頭的最小成形厚度

其計(jì)算厚度、設(shè)計(jì)厚度同無開孔封頭情況所得值，鑒于封頭上開孔會影響封頭強(qiáng)度，故需提供一定量厚度來補(bǔ)償開孔面積。根據(jù)GB/T 150—2011中等面積補(bǔ)強(qiáng)法，可得補(bǔ)償量，其值如下：

式中：Δδ為厚度補(bǔ)償量，mm；A為開孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)截面積，mm2；A2為接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積，mm2；A3為焊縫金屬面積，mm2；A4為有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)另加的補(bǔ)強(qiáng)面積，mm2；B為有效寬度，mm；dop為開孔直徑，mm；δet為接管有效厚度，mm；fr為強(qiáng)度削弱系數(shù)。

則其最小成形厚度可取值如下：

3 封頭標(biāo)記樣式

GB/T 25198—2010標(biāo)準(zhǔn)中4.3 部分對于封頭的標(biāo)記樣式做了規(guī)定。其中要求，對于設(shè)計(jì)方，在設(shè)計(jì)圖樣中需要標(biāo)記封頭名義厚度及最小成形厚度，即δmin、δn，封頭名義厚度δn=δd+C1+Δ=δ+C2+C1+Δ；對于制造方，要求其在封頭成品中標(biāo)記封頭材料厚度及封頭成品最小厚度，即δ′min、δs，封頭投料厚度通常取值大于封頭名義厚度，其值為δs=δn+Δ2，其中Δ2為加工裕量，mm。

GB/T 25198—2010規(guī)定要求：“根據(jù)制造工藝確定封頭的投料厚度，以確保封頭的成品最小厚度δ′min不小于設(shè)計(jì)要求的最小成形厚度δmin?！惫士烧J(rèn)為封頭成品最小厚度與封頭最小成形厚度值相等，即in=δmin。

封頭名義厚度δn為設(shè)計(jì)中所定參數(shù)，王賢虎[11]指出為達(dá)到鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格、與筒體名義厚度相同便于材料管理等因素，設(shè)計(jì)人員會對名義厚度進(jìn)行圓整，造成名義厚度值不是唯一確定的?？紤]加工減薄等制造問題，制造單位在確定封頭投料厚度δs時取值會大于封頭名義厚度δn。因名義厚度值不確定，封頭投料厚度值亦不確定，從而直接影響封頭加工后的最小成形厚度。筆者以受內(nèi)壓、無開孔橢圓封頭在不同設(shè)計(jì)條件下為例，進(jìn)一步探究δs、δn、δmin之間的關(guān)系，結(jié)果見表1。

表1 以名義厚度、投料厚度確定最小成形厚度時的計(jì)算結(jié)果 /mm

由表1可知，情況（1）中以Q345R鋼板、設(shè)計(jì)溫度70℃為例，查GB/T 150—2011可知，當(dāng)鋼板厚度超過16mm后其許用應(yīng)力值為185MPa，但在設(shè)計(jì)過程中鋼板厚度為16mm其許用應(yīng)力值為189 MPa，造成壓力容器設(shè)計(jì)、制造過程中的“應(yīng)力跳檔”問題[12]，經(jīng)加工后封頭成品的最小厚度可能不滿足使用要求；情況（2）中為達(dá)到與筒體壁厚一致，封頭名義厚度向上跳一檔取值為8mm，加工單位在考慮減薄的情況下取值投料厚度為10mm，加工后所得最小成形厚度8.8 mm，超出封頭設(shè)計(jì)厚度5.9 mm很多，造成了材料的浪費(fèi)；情況（3）中，封頭名義厚度取值為20mm，投料厚度取值為22mm，加工后最小成形厚度為19.4 mm小于設(shè)計(jì)厚度19.8 mm，此情況會造成不滿足設(shè)計(jì)要求，封頭無法正常使用。

綜合上述問題可見，以封頭名義厚度、投料厚度確定最小成形厚度會造成設(shè)計(jì)、制造單位認(rèn)識上的沖突，其結(jié)果會影響封頭合理性設(shè)計(jì)。針對此問題，在“封頭最小成形厚度需大于等于封頭設(shè)計(jì)厚度”這一前提下，建議首先依據(jù)已知設(shè)計(jì)條件求得封頭設(shè)計(jì)厚度，依據(jù)式（3）、式（6）確定封頭最小成形厚度，在考慮加工減薄影響的情況下，反推厚度如式（7）所示（若此時計(jì)算厚度與之前厚度相比發(fā)生“跳檔”現(xiàn)象，則需以較小的許用應(yīng)力值重新核算厚度），向上圓整至最接近的標(biāo)準(zhǔn)鋼板規(guī)格為封頭投料厚度，如式（8）所示，同時以封頭投料厚度值為封頭名義厚度值標(biāo)注在設(shè)計(jì)圖樣上，從而以此指導(dǎo)制造單位進(jìn)行生產(chǎn)。

式中：T為加工減薄率，其值大小可依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)參照GB/T 25198—2010附錄J確定。

依據(jù)此方法，重新對表1計(jì)算，其結(jié)果見表2。

表2 以最小成形厚度確定確定封頭名義厚度及封頭投料厚度 /mm

通過表2計(jì)算結(jié)果可知，以新方法進(jìn)行計(jì)算及標(biāo)注，以設(shè)計(jì)過程為主，在設(shè)計(jì)過程中以最小成形厚度反推后向上圓整得到封頭名義，要求加工單位以設(shè)計(jì)圖樣中名義厚度為投料厚度，以此指導(dǎo)制造單位進(jìn)行生產(chǎn)，同時要求封頭成品最小成形厚度滿足設(shè)計(jì)圖樣上最小成形厚度要求。采用此方法進(jìn)行計(jì)算及標(biāo)注，解決了上述“應(yīng)力跳檔”“材料浪費(fèi)”及“加工后材料厚度不滿足要求”等現(xiàn)象，對封頭的合理性設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及工程實(shí)例對壓力容器封頭的名義厚度、投料厚度及最小成形厚度之間關(guān)系進(jìn)行了研究，其結(jié)論如下：

1）基于標(biāo)準(zhǔn)及前人工作，確定了有無開孔下受內(nèi)壓封頭的最小設(shè)計(jì)成形厚度。

2）依據(jù)工程實(shí)例，通過計(jì)算分析了封頭名義厚度、投料厚度及最小成形厚度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)因名義厚度不唯一性及設(shè)計(jì)、制造不統(tǒng)一性會影響封頭合理性設(shè)計(jì)。

3）提出新的解決辦法，在結(jié)論1）的基礎(chǔ)上已知封頭最小成形厚度，考慮加工減薄影響的情況下，反推厚度向上圓整至最接近的標(biāo)準(zhǔn)鋼板規(guī)格為封頭投料厚度，同時以封頭投料厚度值為封頭名義厚度值標(biāo)注在設(shè)計(jì)圖樣上。