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封头安全经济合理的成形保证

封头安全经济合理的成形保证:

1. GB150-1998标准有关厚度的定义

(1) 计算厚度δ

是按各章公式计算得到的厚度。需要时,尚应计入其他载荷所需厚度。

(2) 设计厚度δd

是计算厚度δ与腐蚀裕量C1之和。

(3) 名义厚度δn

是设计厚度δd加上钢材厚度负偏差C1后向上圆整至钢材标准规格的厚度。即标注在图样上的厚度。

(4) 有效厚度δe

是名义厚度δn减去腐蚀裕量C2和钢材厚度负偏差C1的厚度

(5) 各种厚度的关系如图

(6) 投料厚度(即毛坯厚度)

根据GB150---1998第10章和各种厚度关系图:

δs=δ C1 C2 Δ1(厚度第一次设计圆整值) C3(加工减薄量) (厚度第二次制造圆整值)

2. 封头设计计算案例

容器内径Di=4000mm、计算压力Pc=0.4MPa、设计温度t=50℃、封头为标准椭圆形封头、材料为16MnR(设计温度才材料许用应力为170MPa)、钢材负偏差不大于0.25mm且不超过名义厚度的6%、腐蚀裕量C2=1mm、封头拼焊的焊接接头系数?=1。求椭圆封头的计算厚度、设计厚度和名义厚度。

 KpDi

计算厚度δ=----------------=4.73mm

 2[σ]tΦ-0.5pc

计算厚度δd=δ C2=4.73 1=5.73mm

考虑标准椭圆封头有效厚度δe应不小于封头内径Di的0.15%,有效厚度δe=0.15%Di=6mm

δe>δd、C1=0、C2=1、名义厚度δn=δe C1 C2=6 0 1=7mm

考虑钢材标准规格厚度作了上浮1mm的厚度第一次设计圆整值△1=1,故取δn=8mm。

根据专业封头制造厂技术资料Di=4000、δn=8封头加工减薄量C3=1.5mm,经厚度第二次圆整值△2=0.5。

如要求封头成形厚度不得小于名义厚度δn减钢板负偏差C1,则投料厚度:

δs=δn C1 C3 △2=8 0 1.5 0.5=10mm,而成形后的最小厚度为8.5mm。如采用封头成形厚度不小于设计厚度δd(应取δe值),则投料厚度:δs=δd(δe) C3 △2=8mm,而成形后的最小厚度为6.5mm、且大于有效厚度δe、更大于设计厚度δd和计算厚度δ。

从以上可看出,两种不同要求,使该封头的投料厚度有2mm之差,而重量相差有300kg之多。

3. GB150及有关封头标准的厚度定义不甚合理

GB150及有关封头标准的厚度定义不甚合理,主要体现在容器和封头成形后的厚度要求上,对凸形封头和热卷筒的成形厚度要求不得小于名义厚度减钢板负偏差(δn-C1),由此可能导致设计和制造两次在设计厚度的基础上增加厚度以保证成形厚度。为此,曾经提出了最小成形厚度的概念:"热卷圆筒或凸形封头加工成形后需保证的厚度,其值不小于设计厚度"。也就是说设计者应在图纸上标注名义厚度和最小成形厚度(即设计厚度δd),这样使得制造单位可根据制造工艺和原设计的设计圆整量决定是否再加制造减薄量。这种厚度的定义和标注是目前国际压力容器界的流行方法,有其合理性,但在我国现行标准中有以下两个问题需解决。

(1) 关于封头标准中直边高度随厚度变化的问题

封头直边高度是由`封头直径和厚度控制的变量,确无必要且使封头尺寸系列复杂化。JIS B8247标准无论1992版还是最新的1997版,直边高度为厚度的3倍,但最小不小于20mm,最大不超过38mm,较简明。该问题可在修订标准时予以解决。

(2) 关于开孔补强计算

开孔补强计算中所用为有效厚度δe(δn-C1-C2),将设计者取用的圆整量△1用掉了,制造上若再用设计圆整量△1可能造成强度不足。

开孔补强仅是局部的结构计算方法,最常用的等面积法也只是经验和保守的,故有可能在补强面积中不考虑圆整量,而以设计厚度(δ C2)为基础进行补强计算。

4. 用设计厚度界定封头最小成形厚度符合安全经济的原则

(1) 上述已说明封头成形厚度不小于名义厚度减钢板负偏(δn-C1)的规定可能导致设计和制造两次在设计厚度(δd)的基础上增加厚度(△1 △2)造成不必要的浪费及解决的途径。

(2) 实际上GB150-89《标准释义》早已说明"成形封头的最小厚度应能满足强度(即计算厚度δ)与使用寿命(即腐蚀裕量C2)的要求",且是大多数专家的共识。

(3)JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》11.2.1明确规定:"根据制造工艺条件,确定加工裕量,以确保成品各部门的实际厚度不小于该部位设计厚度"。

(4)新《容规》第69条第2款中"临时吊耳和拉筋的垫板割除后留下的焊疤必须打磨平滑。。。。。。打磨后的厚度不应小于该部位的设计厚度(δ C2)。"也就是说整个容器可用设计厚度(δ C2)来界定其各部位所需的最小安全厚度。

(5) 为了保证封头成形厚度不小于名义厚度减钢板厚度负偏差,现行做法不得不在名义厚度δn加上减薄量C3(一般取2mm),再圆整△2至钢板标准规格的厚度确定投料(毛坯)厚度δs。这不仅浪费而且导致有时封头直边部因压制后的增厚,发生与简体组装的错边量超差而不得不增加对直边部的削薄处理。有时还会发生因投料厚度δs的增加,使厚度跳档造成强度指标(σb、σs)和许用应力[σ]t的降低而需重新进行强度校核。

(6)封头的成形加工方法有热冲压和冷冲压、冷旋压和热旋压等,不同尺寸、不同加工方法有不同的减薄量,这在专业封头制造厂有详细的技术数据资料,只要提供设计厚度(δ C2)加上封头制造厂的实际减薄量并圆整至钢板标准规格的厚度,即可避免设计、制造二次圆整(△1 △2)造成的浪费,从而得到安全经济合理的封头成形厚度,这也是当今国外同行之所以采用最小保证厚度(即δ C2的设计厚度)的原因。

5. 结语

(1)用设计厚度(δ C2)比用名义厚度(δn)减钢板负偏差(C1)作为封头成形最小保证厚度是在满足安全要求的前提下,既合理也是最经济的。

(2)问题在于设计图样上需明确标注出设计厚度(δ C2),而设计厚度中主要是计算厚度δ,因C2一般在总图上均有标注,否则尽管《容规》和GB150等法规标准规定包括打磨后的厚度等不小于设计厚度,但对制造者来说仍是不可知且无法操作的。

(3)为了安全经济合理地确定封头成形厚度,需要压力容器的标准、设计、制造、封头用户、专业封头制造厂之间的合作并统一标准的理解。

参考文献

1. 质技监局锅发[1992]154号《压力容器安全技术监察规程》

2. GB150-98《钢制压力容器》和释义(含1998版本)

3. JB4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》

4. 寿比南.GB150-1998《钢制压力容器》修订要点综述.压力容器,1998;(3)

5. JIS B8247-1997《压力容器用封头》

6. 化工装备行业第一期压力容器设计审批人员考试题

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