球冠形封头为压力容器中间封头的探讨.pdf

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第2期
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球冠形封头为压力容器中间封头的探讨
石亚超',王源撄',王梅兰2,李伟敏
(1.江苏省安全生产科学研究院,江苏南京210042)
(2.江苏省盐城市阜宁县郭墅中心小学,江苏盐城224403)
摘要]球冠形封头常做为压力容器中两独立受压室的中间封头。本文分析了该结构的受力和変形情况,提出了设计中应
注意的问题
[关键词]压力容器;球冠形封头;中间封头;设计;探讨
封头是压力容器设备中不可缺少的重要部应力占相当的比重。由于这些应力多由变形协调
件。封头为压力容器上的端盖,是压力容器的一的边缘力产生,属于二次应力,其总应力受一次
个主要承压部件,起密封作用。封头根据几何形加二次应力控制,控制值为3[]。图1(b)表示了
状的不同,分为球形、椭圆形、碟形、球冠型、R/t=100(t为球面壳、圆柱壳厚度)时球面壳与圆
锥壳和平盖等几种,其中球形、椭圆形、碟形、柱売的总应力分布曲线
球冠型封头统称为凸型封头。笔者在某设备制造
厂见到几台塔器均采用了球冠形封头作为中间封
头,将整个筒体分隔为相互独立的受压室。该结
1
构充分利用了空间,节约了平面占用面积,有利
于工艺流程安排,结构简单,受力情况较好。本
文就球冠形封头作为压力容器中间封头的设计进
行探讨,提出若干采用球冠形封头应注意的问
题
1球冠形封头与筒体连接处的应力和变形
球冠形封头与筒体的连接,属于旋转薄壳的
边缘问题,其连接结构归于球面壳与圆柱壳的连
接,主要注意其连接边缘区的应力和变形。因球
面壳与圆柱壳为无公切线连接,圆柱壳作用于球
面壳边缘的轴向力的分力和内压P共同作用,在
球面壳的边缘产生了径向薄膜力N、径向弯曲应
力,发生了弯曲变形。圆柱壳在轴向力和内压P
作用下产生薄膜应力N和轴向、环向变形。由于
它们两者产生的变形不一致,变形协调的结果会
产生边缘力Pa、Pa2和弯矩M。一边缘力系。如图1
ー?
(a)所
o。内表面>o(外表画
其他部位的应力仍以薄膜应力为主。球面壳
和圆柱壳的连接部位受边缘力等作用,在原薄膜
图1球面壳与囡柱壳的连接
应力的基础上引起附加的径向、周向弯曲应力及
局部薄膜应力。根据应力分析表明:它们的最大
作者简介:石亚超(1982-),男,河南平顶山人,硕士,エ
应力发生在连接边缘,且为径向应力,其中弯曲程师。主要从専化工设备安全研究。
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石油和化工设备
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论文广场
2013年第16卷
从总应力分布曲线图可见,连接边缘处的总
上述球冠形封头的应力受边缘力的影响及
应力比其薄膜应力要大得多。由于边缘应力具有其许用应力的调整,是通过系数Q来体现的。上
明显的衰减波特性,对于钢制圆柱壳(u-0.3)边式中系数Q根据封头结构(与球冠形封头内半径
缘应力的作用范围只局限于离开边缘的距离x,有关)和受载情況(凹、凸面侧受压情况),由
x≤ァ/B=25R:同理,对于钢制球壳只局限于:GB150.3201《压力容器》中相应图表食得
≤な/と=2.5z/R
上式去掉Q后即为内压圆筒厚度计算公式。
般情况下,系数Q大于1,因此,该封头壁厚大
2设计中边缘问题的处理
其上下筒体壁厚。而球冠形封头的计算方法系由
由于边缘应力具有局部性和自限性。因此在解析法应力分析得出,分析中设定圆筒取与球冠
设计中可正确处理壳体的边缘问题。
等厚t。但计算厚度一般大于内压圆筒计算厚度,
(1)由于边缘应力具有局部性,在设计中可从经济性考虑,在球冠形封头与圆筒间设置一段
以在结构上只作局部处理。例如改变连接边缘的与封头等厚的短节一加强段连接
结构;边缘应力区局部加强:保证边缘焊接缝的
加强段最小长度根据圆筒端部局部应力的衰
质量:降低边缘区的残余应力;避免边缘区附加减范围确定。球冠形封头的厚度计算是径向弯曲
局部应力或应力集中,如开孔等。
应力起控制作用,对应的圆筒也是轴向弯曲应力
(2)只要是塑性材料,即使局部某些点的起控制作用,故其加强段长度按圆柱壳在均布边
应力超过材料屈服极限,邻近尚未屈服的弹性区缘力作用下的轴向弯曲应力的衰减长度考虑,最
能够抑制变形的发展,容器仍处于安定状态。故小长度取20.5D6
大多数由塑性好的材料制成的容器,如低碳钢、
球冠形封头与圆筒连接的T形接头必须采用全
奥氏体不锈钢、铜、铝等压力容器,当受静载荷
时,除结构上作某些局部处理外,一般并不对边逶结构。
缘应力作特殊考虑
但是,某些情况则不然。例如:塑性较差
的高强度钢制造的重要压力容器;低温下铁素体
钢制造的重要压力容器;受疲劳载荷作用下的压
力容器;受核辐射作用的压力容器。这些压力容
器,如不注意控制边缘应力,则在边缘高应力区
有可能导致脆性破坏或疲劳破坏。因此必须正确
图2球冠形封头结构形式
计算边缘应力并按应力分析设计规范作验算。
(3)由于边缘应力具有自限性,它的危害性
4采用球冠形封头作中间封头时的考虑
就不如薄膜应力。薄膜应力随着外力的增大而增
(1)封头与圆筒连接的T形接头必须采用
大,是非自限的。当分清应力的性质以后,在设
全焊透结构。文献指出“沧州炼油厂1993年1月
计中可对薄膜应力和边缘应力给予不同的限制,
1日二催化装置的回炼油罐、蜡油罐发生爆炸事
如对薄膜应力可用极限设计准则予以限制,而对故…事故后发现,中间球冠形封头与连接圆筒
于边缘应力可用安定性准则予以限制。
之间的焊缝有12.5%存在严重缺陷。其中一段长
500mm未焊透,相邻一段长350mm焊缝中有一根
3GB1560.3-2011《压力容器》对球冠形封头的规12mm的钢筋”。从该事故可看出,如果不注
定
意焊缝质量,有可能酿成重大灾难。在设计时应
球冠形封头作容器中两独立受压的中间封选择合适的T形接头坡口型式,明确对该焊缝的
头,其具体的结构形式和厚度设计,在GB150.3-焊接及无损检测要求,保证焊接质量。该焊缝
2011《压力容器》中有详细的规定。
般采用100%磁粉检测,其结果应符合JB/T4730.5
球冠形封头厚度计算公式
2005《承压设备无损检测第四部分:磁粉检
测》,1级合格。
i op
(2)如果球冠形封头厚度大于圆筒厚度,