壓力容器折邊錐形封頭設(shè)計(jì)的疑義解析

謝作芳

壓力容器是石油、化工、制藥、制冷、制氧、制氮以及壓縮空氣行業(yè)最為常用的設(shè)備單體。由于密封受壓的特性使然，使其具備著一定的危險(xiǎn)性，如果介質(zhì)是易燃易爆或有毒性均使其危險(xiǎn)性升級(jí)，為了保障他人的生命財(cái)產(chǎn)安全，國(guó)家特制定了一系列法規(guī)（如<<特種設(shè)備安全法>>等）、條例（特種設(shè)備安全監(jiān)察條例）、規(guī)程（如<<固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程>>等）、標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T150-2011<<壓力容器>>等）。從而有效的實(shí)施科學(xué)管理和安全監(jiān)察。不但壓力容器使用單位要定期接受技術(shù)監(jiān)督局的監(jiān)察，而且制造單位也更高要求的接受監(jiān)察。監(jiān)察的第一步即為圖紙?jiān)O(shè)計(jì)和出具強(qiáng)度計(jì)算書(shū)。

壓力容器的常規(guī)設(shè)計(jì)主要分為筒體、封頭、接管、法蘭、接管補(bǔ)強(qiáng)、吊耳、支承型式等的強(qiáng)度和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。本文主要對(duì)封頭設(shè)計(jì)中折邊錐形封頭設(shè)計(jì)中常常遇到且容易忽略的問(wèn)題做歸納、總結(jié)并闡述正確的設(shè)計(jì)理論和標(biāo)準(zhǔn)要求。錐形封頭通常采用折邊直角錐形封頭，因折邊直角錐形封頭的設(shè)計(jì)是折邊封頭設(shè)計(jì)的典型常規(guī)，其它型式的封頭亦采用該種錐封頭的設(shè)計(jì)理念和引用標(biāo)準(zhǔn)。所以本文以折邊直角錐形封頭作為引例，從而對(duì)折邊錐形封頭的設(shè)計(jì)常遇到的問(wèn)題及誤區(qū)做一次深入探考。

折邊直角錐封頭涉及到的參數(shù)有（見(jiàn)圖一）：錐大端內(nèi)徑Di、錐小端內(nèi)徑Dis、錐角α、直邊高度h0、轉(zhuǎn)角半徑ri、壁厚δn。下面我們對(duì)這些參數(shù)容易出現(xiàn)的誤區(qū)和解析分別闡述：

誤區(qū)一：錐大端內(nèi)徑Di與圓筒壁厚不同，設(shè)計(jì)者按外表面平齊從而形成內(nèi)徑不等徑，而強(qiáng)度計(jì)算通常按內(nèi)徑計(jì)算，造成實(shí)際產(chǎn)品與強(qiáng)度計(jì)算書(shū)不符，原則上影響了設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性。

解析：錐大端內(nèi)徑通常與其連接的圓筒內(nèi)徑等徑，如出現(xiàn)不等厚對(duì)接情況，宜于外部采用對(duì)厚側(cè)不少于1：3斜度的削薄以便達(dá)到圓滑過(guò)渡。

誤區(qū)二：錐小端內(nèi)徑Dis既可以有直邊，也可以無(wú)直邊，當(dāng)采用無(wú)直邊時(shí)接管厚度與錐體壁厚δn不相等。通常設(shè)計(jì)者認(rèn)為無(wú)直邊即插入式焊接。

解析：無(wú)直邊時(shí)接管（或筒體）應(yīng)與錐封頭壁厚δn等厚。此段屬于加強(qiáng)段，應(yīng)參照無(wú)折邊錐封頭設(shè)計(jì)要素，詳見(jiàn)GB/T150.3-2011《壓力容器》第5.6.4.1款：錐體加強(qiáng)段與圓筒應(yīng)具有相同的厚度。這是設(shè)計(jì)者極易忽略的問(wèn)題。

誤區(qū)三：由于回轉(zhuǎn)薄殼理論將錐角定義為全錐體角度，從而到時(shí)設(shè)計(jì)者也將錐角α理解為整個(gè)錐體的角度。

解析：無(wú)論是在GB/T150.3-2011《壓力容器》中，還是在GB/T25198-2010《壓力容器封頭》中均把錐角α定義為半錐角。詳見(jiàn)圖一。

誤區(qū)四：由于繪圖軟件autocad的程序特性，導(dǎo)致有些新手設(shè)計(jì)員忽略折邊錐封頭的直邊存在。

解析：直邊高度h0的高度尺寸規(guī)定如下：當(dāng)內(nèi)徑≤2000mm時(shí)，直邊高度取25mm。當(dāng)內(nèi)徑>2000mm時(shí)，直邊高度取40mm。標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)為：GB/T25198-2010《壓力容器封頭》第6.3.10款。

誤區(qū)五：折邊錐形封頭的轉(zhuǎn)角半徑ri亦稱(chēng)為過(guò)渡半徑，該尺寸在現(xiàn)行最新標(biāo)準(zhǔn)GB/T25198-2010《壓力容器封頭》中的要求與封頭被取代標(biāo)準(zhǔn)的要求不同。很多設(shè)計(jì)者依然采用老標(biāo)準(zhǔn)的要求，即ri=0.15Di。

解析：轉(zhuǎn)角半徑在現(xiàn)行最新標(biāo)準(zhǔn)GB/T25198-2010《壓力容器封頭》中的要求是ri≥0.1Di。雖然采用0.15Di亦在允許范圍內(nèi)，但實(shí)用靈活性卻小了很多，尤其是壁厚未超過(guò)12mm的錐封頭，采用較小的錐角半徑，可以縮短錐封頭的高度從而有效節(jié)省空間。

誤區(qū)六：錐封頭壁厚δn只按GB/T150.3-2011《壓力容器》給予的公式進(jìn)行計(jì)算，而未滿足該標(biāo)準(zhǔn)其它條款。舉例如下：設(shè)計(jì)壓力0.65MPa，設(shè)計(jì)溫度：60℃，錐大端內(nèi)徑Di=1600，材質(zhì)：Q345R，腐蝕裕度取1mm。經(jīng)過(guò)強(qiáng)度計(jì)算：成型最小有效厚度4.64mm，圓整后如果取壁厚δn=6是完全合格的。但事實(shí)上是不合格的。

解析：GB/T150.3-2011《壓力容器》中第5.6.1.3條款明確規(guī)定：在任何情況下，過(guò)渡段或加強(qiáng)段的最小成型厚度不得小于與其連接的圓筒內(nèi)徑的0.3%mm。上例中Di=1600，最小成型厚度應(yīng)該不小于1600×0.3%=4.8mm。如果再加上腐蝕裕度，最小成型厚度為5.8。壁厚為6mm的鋼板根本無(wú)法保證最小成型厚度5.8mm。所以錐封頭壁厚δn應(yīng)該選擇8mm。

壓力容器行業(yè)在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值中占據(jù)著不可動(dòng)搖的地位，其安全性直接影響著廣大群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。而設(shè)計(jì)工作又是整個(gè)壓力容器生產(chǎn)過(guò)程的龍頭，對(duì)壓力容器質(zhì)量有著直接的影響。以上六點(diǎn)誤區(qū)是折邊錐封頭的設(shè)計(jì)者經(jīng)常犯的錯(cuò)誤，特對(duì)此歸納總結(jié)以便與同行交流。