封头最小厚度确定及影响因素

1.前言

    GB150.1～150.4－2011《压力容器》[1]是我国压力容器设计方面具有权威性的设计标准，如何按照该标准进行厚度的恰当选取，更好地满设备强度要求，在压力容器安全运行方面具有重要意义。由于封头等受压元件在成型过程中会有一定的加工减薄量，因此，文献[1]中规定，容器元件的名义厚度和最小成形厚度一般应标注在设计图样上。

2.确定封头最小厚度的常规方法

    一般而言，确定封头最小厚度的常规方法就是直接等于设计厚度，即，计算厚度+腐蚀裕量，而这种确定方法只是考虑压力载荷对封头的影响，并未考虑其它载荷及限制条件的影响，致使封头最小厚度达不到设计工况要求，压力容器的运行将存在安全隐患。

3.影响确定封头最小厚度的因素

①刚度的影响

    封头在承受压力的同时本身应具备一定的刚度，以免发生变形破坏。因此，文献[1]中规定，对碳素钢、低合金钢制容器不包括腐蚀裕量的最小厚度不小于3mm；对高合金钢制容器不包括腐蚀裕量的最小厚度不小于2mm。

②压力载荷的影响

   封头是承受一定压力的受压元件，首先必须满足的是压力载荷，无论是承受内压或外压载荷的封头都可通过文献[1]中第3章有关计算公式得到封头计算厚度，其中，计算厚度+腐蚀裕量=设计厚度，这个设计厚度是单从压力载荷方面考虑而得到的封头需要的最小厚度。

③内压失稳的影响

     内压作用下标准椭圆封头的应力分布如图1，由应力分布图可以看出在封头底边处产生周向压缩应力，此处封头容易发生周向失稳。为防椭圆封头内压作用下矢稳，文献[1]中规定，对于Di/2hi≤2的椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15%，对于Di/2hi＞2的椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.30%。上述虽然限制的是有效厚度，但其实也是间接限制封头成形的最小厚度。

图片

                图1  标准椭圆封头的应力分布图

其中：

Di－封头内径

hi－凸形封头内曲面深度      

④开孔补强的影响

    压力容器常见的开孔补强方式有：锻管补强 、补强圈补强、整体补强。所谓整体补强就是增加壳体厚度，以补强开孔后对壳体的削弱。当封头上开孔采用整体补强结构时，封头的最小厚度就是满足开孔补强需要的厚度。

⑤由接管载荷而产应局部应力的影响

    在压力容器设计中，封头上有些重要工艺管口需要校核由接管外载而产生的壳体局部应力，当接管外载比较苛刻时会增加封头厚度来降低接管载荷应力的影响，以达到校核通过的目的，这时封头的最小厚度就是满足局部应力校核合格时的厚度。

⑥卧式容器封头起加强作用时影响

    在卧式容器设计中，容器支座反力与鞍座接触的筒体上产生周向压缩应力，在支座截面筒体最低处，周向压缩应力最大，在没有加强圈的情况下，此处筒体容易发生矢稳，同时筒体截面处的切向剪力在筒体径向截面产生周向弯距。在鞍座设计中，应尽量使鞍座底板中心距封头切线距离A≤0.5Ra，使封头对筒体起加强作用，用于平衡筒体的周向压缩力及弯距，此时封头的最小厚度就是满足鞍座应力校核合格时的厚度。

其中：

Ra－筒体的平均半径

⑦压力试验应力校核时的影响

    文献[1]中规定，如果采用大于4.6.2.2.4.6.2.3所规定的试验压力进行压力试验时，在耐压试验前，应校核各受压元件在试验条件下的应力水平，满足校核条件。当压力容器需提高试验压力而进行压力试验应力校核时，封头试验工况应力可能超过允许的应力值，这时会增加封头有效厚度来满足试验应力校核条件，此时封头的最小厚度就是满足压力试验应力校核合格时的厚度。

⑧在材料厚度临界值时的影响

    文献[1]中规定，计算厚度是指按各章公式计算得到的厚度；设计厚度是指计算厚度与腐蚀裕量之和；名义厚度是指设计厚度加上钢板厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格厚度，即标注在图样上的厚度；有效厚度是指名义厚度减去腐蚀裕量和钢板厚度负偏差。

     对于封头而言其毛坯厚度等于设计厚度+成形减薄量+圆整量至材料标准规格厚度，其成形后最小厚度不得小于设计厚度，其中，设计厚度=计算厚度+腐蚀裕量。当圆整至材料标准规格后的封头毛坯厚度与计算封头计算厚度时选取的许用应力厚度不在文献[1]中材料许用应力表同一厚度档时（跳档），如用封头毛坯厚度所在档的许用应力计算封头的厚度会增加，因为根据文献[1]中各材料许用应力表的规定，同一材料不同厚度的许用应力不同，并且随着板厚的增加许用应力也随之降低。这时封头最小厚度就是根据跳档后（封头毛坯所在厚度档）许用应力值计算所得的设计厚度。

4.结语

封头最小厚度不能单纯取设计厚度，应根据具体设计条件，结合本文所述各个影响因素，并取各个影响因素中最大值作为封头最小厚度，这样才能保障压力容器的安全运行。



参考文献：

[1]  GB150.1～150.4－2011,压力容器[S].

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