應(yīng)用SW6設(shè)計軟件計算壓力容器應(yīng)注意的幾個問題

(中石化寧波工程有限公司 上海分公司， 上海 200030)

SW6-2011 v3.1軟件是壓力容器設(shè)計人員常用的設(shè)備強(qiáng)度計算工具。作為一款計算軟件, SW6中不可避免地隱含了一些技術(shù)假定。這些技術(shù)假定對于軟件的應(yīng)用非常重要，GB/T 150.1～150.4—2011《壓力容器》[1]在引言部分就特別指出，設(shè)計人員在借助計算機(jī)程序進(jìn)行壓力容器的分析或設(shè)計時，應(yīng)確認(rèn)程序中技術(shù)假定的合理性、程序?qū)υO(shè)計內(nèi)容的適應(yīng)性以及輸入?yún)?shù)及輸出結(jié)果用于工程設(shè)計的正確性。文中就實際工作中遇到的一些壓力容器強(qiáng)度計算的問題，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條文進(jìn)行分析和討論，并給出了運(yùn)用SW6進(jìn)行計算時的建議。

1 壓力容器封頭計算

1.1 封頭最小成型厚度校核

GB/T 150.1中4.3.8和GB/T 25198—2010《壓力容器封頭》[2]均要求設(shè)計圖樣中標(biāo)注封頭的最小成型厚度。此規(guī)定主要是出于方便制造時控制投料厚度考慮，如果封頭坯料厚度比實際所需的厚度大得多，不僅浪費(fèi)材料，而且還可能出現(xiàn)許用應(yīng)力跳擋，即板材厚度增加而實際許用應(yīng)力下降導(dǎo)致的強(qiáng)度不足等問題[3]。從設(shè)計的角度來說，最小成型厚度是強(qiáng)度上所允許的最小厚度，至少應(yīng)滿足封頭本體及在封頭上開孔的強(qiáng)度要求。設(shè)計中通常以GB/T 25198—2010附錄J提供的封頭成型厚度減薄率為參考，采用下式計算最小成型厚度δmin，并驗算其強(qiáng)度。δmin在任何情況下都不能小于封頭厚度計算值與腐蝕裕量的和。

δmin=(δn-C1)×(100%-S)+Δ

式中，δn為名義厚度，C1為厚度負(fù)偏差，Δ為設(shè)計余量(類似于平臺或管道支架、頂部吊耳等附件作用在封頭上會產(chǎn)生局部應(yīng)力，必要時應(yīng)有一定的設(shè)計余量)，mm；S為厚度減薄率，%。

在SW6的計算中，部分設(shè)計者會將上述δmin直接作為封頭名義厚度輸入，但有些情況下這種做法會出現(xiàn)許用應(yīng)力向上跳擋的情況，導(dǎo)致計算錯誤。例如，某一標(biāo)記為EHA 1200×18(15.6) 的標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，材質(zhì)為Q245R，設(shè)計溫度為200 ℃，若將15.6 mm作為封頭的名義厚度在SW6中進(jìn)行計算，程序按15.6 mm的厚度給出的材料許用應(yīng)力為131 MPa，此軟件計算值大于從GB/T 150.2表2中查到的18 mm厚Q245R材料的實際許用應(yīng)力124 MPa。

合理的作法是將封頭的減薄量，即封頭名義厚度與最小成型厚度之差計入腐蝕裕量C2后輸入到程序中計算，這樣就可以避免上述許用應(yīng)力向上跳擋的問題。另外，應(yīng)該在計算書中注明腐蝕裕量中包括封頭減薄量，以免引起誤解。

1.2 無縫封頭焊接接頭系數(shù)

在GB/T 150.1中，表征焊接接頭可靠性的焊接接頭系數(shù)φ是根據(jù)A、B類對接接頭的特點及無損檢測長度比例確定的[4]。具體到整張鋼板壓制的小直徑標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，通常認(rèn)為封頭本體不存在經(jīng)向的焊縫，所以內(nèi)壓作用下封頭厚度計算式中的焊接接頭系數(shù)φ取1.0[5]。

ASME VIII-1《ASME boiler and pressure vessel code》[6]中規(guī)定，若封頭與筒體連接的環(huán)焊縫(B類接頭)不進(jìn)行無損檢測或為單面焊，無縫封頭的φ取0.85。ASME VIII-1將無縫封頭視為具有A類接頭且經(jīng)100%無損檢測的等效有焊縫封頭，并認(rèn)為實際結(jié)構(gòu)中A類接頭往往與B類接頭相交，B類接頭的質(zhì)量會影響A類接頭的承載能力[7]。

SW6中將封頭、筒體視為2個基本受壓元件分開計算。但設(shè)計者應(yīng)注意，封頭并不是1個孤立的元件，而是設(shè)備整體的一部分，它與筒體之間連接的可靠性會影響承載能力。所以，如果封頭與筒體間的環(huán)焊縫無法進(jìn)行無損檢測或不能保證全焊透，在SW6計算中，無縫封頭的φ值宜取0.85。在這點上，ASME的考慮較為全面。

2 立式容器臥置液壓試驗校核

2.1 臥置時直徑方向上的液柱靜壓

GB/T 150.1的4.6.2.1 a)條要求，若立式容器采用臥置液壓試驗，試驗壓力應(yīng)計入立置試驗時的液柱靜壓。此規(guī)定考慮了實際試驗時設(shè)備放置狀態(tài)對設(shè)備承壓能力的影響，有確保臥置試驗對設(shè)備的超壓考驗水平不低于立置試驗和保證耐壓試驗效果的作用。

對于直徑較大的立式設(shè)備，不僅要滿足上述規(guī)定要求，還應(yīng)考慮直徑方向的液柱靜壓力。以大直徑塔器的臥置試驗(圖1)為例，臥置試驗壓力pT′為立置試驗壓力pT與高度為H的液柱靜壓的和。pT′為此時設(shè)備頂部(圖1中A點)的壓力，而此時設(shè)備底部(圖1中B點)實際所受的壓力pT″為pT′與高度值等于塔體直徑D的液柱靜壓的和。

圖1 塔器臥置試驗

在SW6軟件的塔器計算模塊中，程序會自行對pT和pT′試驗壓力下的應(yīng)力進(jìn)行校核。但卻沒有將B點等處在pT″壓力作用下的應(yīng)力水平納入考慮。事實上，對于筒體上的B點等處，如果pT″大于1.35倍的計算壓力pc，按GB/T 150.1的4.6.3條進(jìn)行的應(yīng)力校核則有可能是不合格的。這一結(jié)論的推導(dǎo)過程如下，其中各符號意義、單位均與GB/T 150.3相同。

由GB/T 150.3可知，正確設(shè)計的圓筒在設(shè)計溫度下其計算的應(yīng)力滿足公式：

2.2 靈活運(yùn)用SW6進(jìn)行校核

SW6軟件中，pT由程序給出也可由用戶自行輸入，而pT′則由程序自行將高度為H的液柱靜壓加至pT上，所以pT′是無法修改的。對于需要考慮直徑方向液柱靜壓力的大直徑立式設(shè)備，設(shè)計人員可以將高度為D的液柱靜壓加到pT上并選擇自行輸入，從而實現(xiàn)利用SW6軟件中pT′計算快捷獲取實際所需pT″計算值的目的。

3 壓力容器設(shè)備法蘭計算

3.1 標(biāo)準(zhǔn)容器法蘭不能免除計算情形

GB/T 150.3中的第7.1.1條規(guī)定，當(dāng)選用JB/T 4700～4707—2000 《壓力容器法蘭》[8](最新版編號為NB/T 47020～47027—2012《壓力容器法蘭、墊片、緊固件》[9]，下文簡稱標(biāo)準(zhǔn)容器法蘭)標(biāo)準(zhǔn)法蘭時，可免除法蘭強(qiáng)度計算。但這種免除是有前提的，如果所選的標(biāo)準(zhǔn)容器法蘭的材料、載荷等不符合NB/T 47020～47027的規(guī)定，那么對于出于任何原因提出的法蘭螺柱材料代用要求，設(shè)計人員都應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

標(biāo)準(zhǔn)容器法蘭的最大允許工作壓力，是基于NB/T 47020中材料的選用規(guī)定及法蘭、墊片、螺柱、螺母材料匹配表來確定的[10]。同時，由GB/T 150.3中的式(7-11)可知，預(yù)緊狀態(tài)下的法蘭力矩由螺柱的許用應(yīng)力決定，以螺柱滿強(qiáng)度承載時的載荷作為預(yù)緊載荷[7，11]。對于所受壓力較低且設(shè)計力矩由預(yù)緊工況決定的法蘭，如果改用強(qiáng)度較高的螺柱，雖然螺柱的承載能力提高了，但法蘭的各項應(yīng)力也會增加。

此外，還有一種不能免除法蘭強(qiáng)度計算的情況。GB/T 151—2014《熱交換器》[12]的7.1.1.2條要求，當(dāng)熱交換器的管箱設(shè)有分程隔板時，還應(yīng)計入分程隔板墊片產(chǎn)生的反力。目前通常的作法是，按照外周墊片反力的計算方法計算反力數(shù)值，直接疊加到外周墊片反力上[13]。SW6中標(biāo)準(zhǔn)容器法蘭強(qiáng)度未計入分程隔板墊片產(chǎn)生的反力，因此若選用多管程熱交換器且管箱法蘭的配置為標(biāo)準(zhǔn)容器法蘭時，也應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3.2 SW6計算時應(yīng)注意問題

在長頸對焊法蘭的SW6計算中應(yīng)注意，因為程序沒有腐蝕裕量輸入框選項，無法輸入腐蝕裕量，所以輸入的法蘭內(nèi)徑、大端厚度和小端厚度數(shù)值均應(yīng)事先扣除腐蝕裕量。另外SW6默認(rèn)M36、M42、M48螺柱的螺距分別為M36×4、M42×4.5和M48×5，而NB/T 47027中這幾種規(guī)格螺柱的螺距均為3，所以在計算時應(yīng)基于實際的螺距查GB/T 196—2003《普通螺紋 基本尺寸》[14]確定螺柱根徑。

4 壓力容器平蓋開孔補(bǔ)強(qiáng)計算

4.1 平蓋開多孔補(bǔ)強(qiáng)方法

4.1.1方法介紹

按照GB 150—1998《鋼制壓力容器》[15]，開孔直徑d小于0.5倍平蓋直徑Do的平蓋開孔，不區(qū)分單孔和多孔，均有2種補(bǔ)強(qiáng)方法，即外加補(bǔ)強(qiáng)元件法和增加平蓋厚度法。外加補(bǔ)強(qiáng)元件法要求最小補(bǔ)強(qiáng)面積A=0.5dδp，其中δp為平蓋計算厚度。增加平蓋厚度法要求將平蓋厚度計算式中的系數(shù)K改為K/υ(其中υ為削弱系數(shù))，按下式計算。

式中，Dc為平蓋計算直徑，Σb為平蓋危險徑向截面上各開孔寬度總和。

按照GB/T 150—2011，單孔采用等面積方法補(bǔ)強(qiáng)，多孔采用增加平蓋厚度法補(bǔ)強(qiáng)。計算多孔補(bǔ)強(qiáng)時，修正平蓋厚度計算系數(shù)K的方法與GB 150—1998不同。 過程分2步進(jìn)行，①根據(jù)系數(shù)K數(shù)值確定系數(shù)K1。當(dāng)K<0.3時，K1=K；當(dāng)K≥0.3時，K1=0.3。②根據(jù)K1/υ的計算值修正K值。當(dāng)K1/υ≤0.5時，如K1/υ>K，則以K1/υ代替K，否則K保持初始值不變。

4.1.2發(fā)現(xiàn)的問題和建議

應(yīng)用GB/T 150—2011方法計算多孔平蓋厚度時，發(fā)現(xiàn)該方法在某些情況下使用不太合理。

例如，由GB/T 150.3表5-9可知，序號9和10的螺栓連接圓形平蓋，其操作狀態(tài)下系數(shù)K總是大于0.3。同時，對于設(shè)計壓力較低、螺栓強(qiáng)度較高的結(jié)構(gòu)，其預(yù)緊狀態(tài)時的K通常大于操作狀態(tài)，這種情況K1取0.3。在開孔削弱系數(shù)υ≥0.6，即多個開孔直徑之和小于40%的平蓋計算直徑時，有K1/υ≤0.5。此時若平蓋的系數(shù)K>0.5，則有K1/υ0.5和υ≥0.6的情況下，不開孔和開多個孔的平蓋計算厚度是一樣的。

又如，標(biāo)記為BL 300-600 RJ 16MnIII的HG/T 20615—2009《鋼制管法蘭(Class系列)》[16]中的法蘭蓋，同一橫截面上多個開孔直徑之和最大為150 mm，選用不銹鋼制金屬環(huán)形墊，螺柱35CrMoA，設(shè)計壓力3.6 MPa，設(shè)計溫度260 ℃,平蓋計算直徑為墊片壓緊力作用中心圓直徑381 mm，υ為0.61，預(yù)緊狀態(tài)K=0.88，操作狀態(tài)K=0.54。則K1取0.3，有K1/υ=0.49

因此建議，對于采用GB/T 150.1～150.4—2011方法計算厚度的多孔平蓋，若預(yù)期應(yīng)用為高溫、高壓或介質(zhì)危害程度較大等重要場合，則有必要參考GB 150—1998或其他權(quán)威國際標(biāo)準(zhǔn)對計算結(jié)果進(jìn)行復(fù)核[17]。

4.2 平蓋開單孔補(bǔ)強(qiáng)計算

在工程實際中，小直徑平蓋的單孔補(bǔ)強(qiáng)通常也采用增加平蓋厚度法計算。這個增加的厚度為所需的補(bǔ)強(qiáng)圈厚度，而不是另外單獨設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)圈。這是一種變通做法，主要考慮減少焊接工作量、利于制造而且美觀等實際需要。這樣的單孔補(bǔ)強(qiáng)方法，在形式上和多孔一樣，但它們的原理不同，在計算時應(yīng)予以注意。

SW6中，多孔平蓋和單孔平蓋的計算在同一程序界面進(jìn)行，容易混淆。而按GB/T 150.3和SW6幫助文件的說明，對多孔平蓋的SW6計算，只需輸入同一橫截面上最大的開孔孔徑之和，無需再作開孔補(bǔ)強(qiáng)計算。但對于開單孔，平蓋計算中不應(yīng)輸入同一橫截面上最大的開孔孔徑之和，即先按無開孔平蓋計算，然后再進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計算。

基于材料力學(xué)知識可知，在平蓋上開孔時，開1個單孔與開多個分散的小孔(小孔的直徑總和等于單孔的)相比，前者平蓋的抗彎截面模量被削弱的程度要大于后者。所以說，如果平蓋開單孔按多孔的補(bǔ)強(qiáng)計算方法，既不符合GB/T 150.3的規(guī)定，也是不安全的。

5 結(jié)語

結(jié)合對壓力容器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的理解和應(yīng)用SW6軟件設(shè)計壓力容器的工作實踐，探討了壓力容器封頭最小成型厚度校核、無縫封頭焊接接頭系數(shù)確定、標(biāo)準(zhǔn)容器法蘭校核、立式容器臥置液壓試驗的應(yīng)力校核以及平蓋開孔補(bǔ)強(qiáng)計算等細(xì)節(jié)，指出一些容易出錯和被忽視的問題，提出了改進(jìn)方法。