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压力容器是石油、化工、制药、制冷、制氧、制氮以及压缩空气行业最为常用的设备单体。由于密封受压的特性使然,使其具备着一定的危险性,如果介质是易燃易爆或有毒性均使其危险性升级,为了保障他人的生命财产安全,国家特制定了一系列法规(如<<特种设备安全法>>等)、条例(特种设备安全监察条例)、规程(如<<固定式压力容器安全技术监察规程>>等)、标准(如GB/T150-2011<<压力容器>>等)。从而有效的实施科学管理和安全监察。不但压力容器使用单位要定期接受技术监督局的监察,而且制造单位也更高要求的接受监察。监察的第一步即为图纸设计和出具强度计算书。
压力容器的常规设计主要分为筒体、封头、接管、法兰、接管补强、吊耳、支承型式等的强度和稳定性设计。本文主要对封头设计中折边锥形封头设计中常常遇到且容易忽略的问题做归纳、总结并阐述正确的设计理论和标准要求。锥形封头通常采用折边直角锥形封头,因折边直角锥形封头的设计是折边封头设计的典型常规,其它型式的封头亦采用该种锥封头的设计理念和引用标准。所以本文以折边直角锥形封头作为引例,从而对折边锥形封头的设计常遇到的问题及误区做一次深入探考。
折边直角锥封头涉及到的参数有(见图一):锥大端内径Di、锥小端内径Dis、锥角α、直边高度h0、转角半径ri、壁厚δn。下面我们对这些参数容易出现的误区和解析分别阐述:
误区一:锥大端内径Di与圆筒壁厚不同,设计者按外表面平齐从而形成内径不等径,而强度计算通常按内径计算,造成实际产品与强度计算书不符,原则上影响了设计的严谨性。
解析:锥大端内径通常与其连接的圆筒内径等径,如出现不等厚对接情况,宜于外部采用对厚侧不少于1:3斜度的削薄以便达到圆滑过渡。
误区二:锥小端内径Dis既可以有直边,也可以无直边,当采用无直边时接管厚度与锥体壁厚δn不相等。通常设计者认为无直边即插入式焊接。
解析:无直边时接管(或筒体)应与锥封头壁厚δn等厚。此段属于加强段,应参照无折边锥封头设计要素,详见GB/T150.3-2011《压力容器》第5.6.4.1款:锥体加强段与圆筒应具有相同的厚度。这是设计者极易忽略的问题。
误区三:由于回转薄壳理论将锥角定义为全锥体角度,从而到时设计者也将锥角α理解为整个锥体的角度。
解析:无论是在GB/T150.3-2011《压力容器》中,还是在GB/T25198-2010《压力容器封头》中均把锥角α定义为半锥角。详见图一。
误区四:由于绘图软件autocad的程序特性,导致有些新手设计员忽略折边锥封头的直边存在。
解析:直边高度h0的高度尺寸规定如下:当内径≤2000mm时,直边高度取25mm。当内径>2000mm时,直边高度取40mm。标准依据为:GB/T25198-2010《压力容器封头》第6.3.10款。
误区五:折边锥形封头的转角半径ri亦称为过渡半径,该尺寸在现行最新标准GB/T25198-2010《压力容器封头》中的要求与封头被取代标准的要求不同。很多设计者依然采用老标准的要求,即ri=0.15Di。
解析:转角半径在现行最新标准GB/T25198-2010《压力容器封头》中的要求是ri≥0.1Di。虽然采用0.15Di亦在允许范围内,但实用灵活性却小了很多,尤其是壁厚未超过12mm的锥封头,采用较小的锥角半径,可以缩短锥封头的高度从而有效节省空间。
误区六:锥封头壁厚δn只按GB/T150.3-2011《压力容器》给予的公式进行计算,而未满足该标准其它条款。举例如下:设计压力0.65MPa,设计温度:60℃,锥大端内径Di=1600,材质:Q345R,腐蚀裕度取1mm。经过强度计算:成型最小有效厚度4.64mm,圆整后如果取壁厚δn=6是完全合格的。但事实上是不合格的。
解析:GB/T150.3-2011《压力容器》中第5.6.1.3条款明确规定:在任何情况下,过渡段或加强段的最小成型厚度不得小于與其连接的圆筒内径的0.3%mm。上例中Di=1600,最小成型厚度应该不小于1600×0.3%=4.8mm。如果再加上腐蚀裕度,最小成型厚度为5.8。壁厚为6mm的钢板根本无法保证最小成型厚度5.8mm。所以锥封头壁厚δn应该选择8mm。
压力容器行业在国内生产总值中占据着不可动摇的地位,其安全性直接影响着广大群众的生命财产安全。而设计工作又是整个压力容器生产过程的龙头,对压力容器质量有着直接的影响。以上六点误区是折边锥封头的设计者经常犯的错误,特对此归纳总结以便与同行交流。
压力容器的常规设计主要分为筒体、封头、接管、法兰、接管补强、吊耳、支承型式等的强度和稳定性设计。本文主要对封头设计中折边锥形封头设计中常常遇到且容易忽略的问题做归纳、总结并阐述正确的设计理论和标准要求。锥形封头通常采用折边直角锥形封头,因折边直角锥形封头的设计是折边封头设计的典型常规,其它型式的封头亦采用该种锥封头的设计理念和引用标准。所以本文以折边直角锥形封头作为引例,从而对折边锥形封头的设计常遇到的问题及误区做一次深入探考。
折边直角锥封头涉及到的参数有(见图一):锥大端内径Di、锥小端内径Dis、锥角α、直边高度h0、转角半径ri、壁厚δn。下面我们对这些参数容易出现的误区和解析分别阐述:
误区一:锥大端内径Di与圆筒壁厚不同,设计者按外表面平齐从而形成内径不等径,而强度计算通常按内径计算,造成实际产品与强度计算书不符,原则上影响了设计的严谨性。
解析:锥大端内径通常与其连接的圆筒内径等径,如出现不等厚对接情况,宜于外部采用对厚侧不少于1:3斜度的削薄以便达到圆滑过渡。
误区二:锥小端内径Dis既可以有直边,也可以无直边,当采用无直边时接管厚度与锥体壁厚δn不相等。通常设计者认为无直边即插入式焊接。
解析:无直边时接管(或筒体)应与锥封头壁厚δn等厚。此段属于加强段,应参照无折边锥封头设计要素,详见GB/T150.3-2011《压力容器》第5.6.4.1款:锥体加强段与圆筒应具有相同的厚度。这是设计者极易忽略的问题。
误区三:由于回转薄壳理论将锥角定义为全锥体角度,从而到时设计者也将锥角α理解为整个锥体的角度。
解析:无论是在GB/T150.3-2011《压力容器》中,还是在GB/T25198-2010《压力容器封头》中均把锥角α定义为半锥角。详见图一。
误区四:由于绘图软件autocad的程序特性,导致有些新手设计员忽略折边锥封头的直边存在。
解析:直边高度h0的高度尺寸规定如下:当内径≤2000mm时,直边高度取25mm。当内径>2000mm时,直边高度取40mm。标准依据为:GB/T25198-2010《压力容器封头》第6.3.10款。
误区五:折边锥形封头的转角半径ri亦称为过渡半径,该尺寸在现行最新标准GB/T25198-2010《压力容器封头》中的要求与封头被取代标准的要求不同。很多设计者依然采用老标准的要求,即ri=0.15Di。
解析:转角半径在现行最新标准GB/T25198-2010《压力容器封头》中的要求是ri≥0.1Di。虽然采用0.15Di亦在允许范围内,但实用灵活性却小了很多,尤其是壁厚未超过12mm的锥封头,采用较小的锥角半径,可以缩短锥封头的高度从而有效节省空间。
误区六:锥封头壁厚δn只按GB/T150.3-2011《压力容器》给予的公式进行计算,而未满足该标准其它条款。举例如下:设计压力0.65MPa,设计温度:60℃,锥大端内径Di=1600,材质:Q345R,腐蚀裕度取1mm。经过强度计算:成型最小有效厚度4.64mm,圆整后如果取壁厚δn=6是完全合格的。但事实上是不合格的。
解析:GB/T150.3-2011《压力容器》中第5.6.1.3条款明确规定:在任何情况下,过渡段或加强段的最小成型厚度不得小于與其连接的圆筒内径的0.3%mm。上例中Di=1600,最小成型厚度应该不小于1600×0.3%=4.8mm。如果再加上腐蚀裕度,最小成型厚度为5.8。壁厚为6mm的钢板根本无法保证最小成型厚度5.8mm。所以锥封头壁厚δn应该选择8mm。
压力容器行业在国内生产总值中占据着不可动摇的地位,其安全性直接影响着广大群众的生命财产安全。而设计工作又是整个压力容器生产过程的龙头,对压力容器质量有着直接的影响。以上六点误区是折边锥封头的设计者经常犯的错误,特对此归纳总结以便与同行交流。