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壓力容器封頭最小厚度確定及影響因素

日期：2022-01-06 閱讀量：2842

GB150.1~150.4-2011《壓力容器》是我國壓力容器設計方面的權威性設計標準。如何按照該標準恰當選取壓力容器的厚度，以滿足設備的強度要求，在壓力容器安全運行方面具有重要意義。由于封頭等受壓元件在成型過程中存在一定的加工減薄量，因此，GB150規定，容器元件的名義厚度和最小成形厚度一般應標注在設計圖樣上。

1 、確定封頭最小厚度的常規方法

通常，確定封頭最小厚度的常規方法是直接等于設計厚度，即，計算厚度腐蝕裕量=設計厚度，但這種方法只考慮了壓力載荷對封頭的影響，并未考慮其它載荷及限制條件的影響，致使封頭最小厚度達不到設計工況要求，壓力容器的運行存在著安全隱患。

2、影響確定封頭最小厚度的因素

2.1剛度的影響

封頭在承受壓力的同時本身應具備一定的剛度，以免發生變形破壞。因此，GB150規定，對碳素鋼、低合金鋼制容器不包括腐蝕裕量的最小厚度應不小于3 mm；對高合金鋼制容器不包括腐蝕裕量的最小厚度不小于2 mm。

2.2壓力載荷的影響

封頭是承受一定壓力的受壓元件，首先必須滿足的條件是壓力載荷，無論承受內壓或者外壓載荷的封頭都可通過GB150第3章有關計算公式得到封頭計算厚度，其中，計算厚度腐蝕裕量=設計厚度，這個設計厚度是單從壓力載荷方面得到的封頭需要的最小厚度。

2.3內壓失穩的影響

內壓作用下，標準橢圓封頭的應力分布如圖1。由應力分布圖可以看出，在封頭底邊處產生周向壓縮應力，此處封頭容易發生周向失穩。為防止橢圓封頭在內壓作用下失穩，GB150規定，對于Di/2hi≤2的橢圓形封頭的有效厚度應不小于封頭內直徑的0.15%，對于Di/2hi＞2的橢圓形封頭的有效厚度應不小于封頭內直徑的0.30%。上述雖然限制的是有效厚度，但其實也間接限制了封頭成形的最小厚度。

2.4開孔補強的影響

壓力容器常見的開孔補強方式有：鍛管補強、補強圈補強、整體補強。所謂整體補強就是增加殼體厚度，以補強容器開孔后殼體被削弱的強度。當封頭上開孔采用整體補強結構時，封頭的最小厚度就是滿足開孔補強需要的厚度。

2.5由接管載荷而產應局部應力的影響

在壓力容器設計中，封頭上有些重要工藝管口需要校核由接管外載而產生的殼體局部應力，當接管外載比較苛刻時，會增加封頭厚度來降低接管載荷應力的影響，以達到校核通過的目的，這時封頭的最小厚度就是滿足局部應力校核合格時的厚度。

2.6臥式容器封頭起加強作用時的影響

在臥式容器設計中，容器支座反力與鞍座接觸的筒體上產生周向壓縮應力，在支座截面筒體最低處，周向壓縮應力最大，在沒有加強圈的情況下，此處筒體容易發生失穩，同時筒體截面處的切向剪力在筒體徑向截面產生周向彎距。在鞍座設計中，應盡量使鞍座底板中心距封頭切線距離A≤0.5Ra，使封頭對筒體起加強作用，用于平衡筒體的周向壓縮力及彎距，此時封頭的最小厚度就是滿足鞍座應力校核合格時的厚度。

其中：Ra－筒體的平均半徑

2.7壓力試驗應力校核時的影響

GB150規定，如果采用大于4.6.2.2、4.6.2.3所規定的試驗壓力進行壓力試驗時，在耐壓試驗前，應校核各受壓元件在試驗條件下的應力水平，滿足校核條件。當壓力容器需提高試驗壓力而進行壓力試驗應力校核時，封頭試驗工況應力可能超過允許的應力值，這時會增加封頭有效厚度來滿足試驗應力校核條件，此時封頭的最小厚度就是滿足壓力試驗應力校核合格時的厚度。

2.8處于材料厚度臨界值時的影響

GB150規定，計算厚度是指按各章公式計算得到的厚度；設計厚度是指計算厚度與腐蝕裕量之和的厚度；名義厚度是指設計厚度加上鋼板厚度負偏差后向上圓整至鋼材標準規格的厚度，即標注在圖樣上的厚度；有效厚度是指名義厚度減去腐蝕裕量和鋼板厚度負偏差的厚度。

對于封頭而言，其毛坯厚度等于設計厚度成形減薄量圓整量至材料標準規格厚度，其成形后最小厚度不得小于設計厚度。其中，設計厚度=計算厚度腐蝕裕量。當圓整至材料標準規格后的封頭毛坯厚度與計算封頭計算厚度時，選取的許用應力厚度不在GB150中材料許用應力表同一厚度檔時（跳檔），如用封頭毛坯厚度所在檔的許用應力計算封頭的厚度會增加，因為根據GB150中各材料許用應力表的規定，同一材料不同厚度的許用應力不同，并且隨著板厚的增加，許用應力隨之降低。這時封頭最小厚度就是根據跳檔后（封頭毛坯所在厚度檔）許用應力值計算所得到的設計厚度。

3、結語

封頭最小厚度不能單純取設計厚度，應根據具體設計條件，結合本文所述的各個影響因素，并取各個影響因素中的最大值作為封頭最小厚度，才能保障壓力容器的安全運行。

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