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封头设计中考虑工艺减薄量的必要性
添加时间:2009-08-11 08:00:48      浏览次数:8053  【 】  关闭窗口
1. 前言
    压力容器制造单位经常遇到这样的问题,由于设计单位在图纸上没有注明封头最小厚度要求,仅注名义厚度,根据GB150-1998《钢制压力容器》第10.2.1条"根据制造工艺确定加工余量,以确保凸形封头和热卷筒节成形的厚度不小于该部件的名义厚度减去钢板负偏差......."。制造单位为了满足这一要求,必须在名义厚度δn加上减薄量C3,一般常规做法是加上2mm才能达到这一要求,壁厚增加而引起重量增加,有时还会因厚度增加而导致许用应力的跳档等,这并不能在图纸上得到体现,而设备造价往往是根据吨位价来定的,一般用户都不愿承担这一附加的重量,故有必要在设计时即考虑工艺减薄量。
2. GB150-1998对封头厚度的定义
    (1) 根据GB150-1998规定,封头各种厚度间关系如图1所示。
    从图1可看出,GB150-1998要求凸形封头和热卷圆筒的成形厚度不小于该不见的名义厚度减去钢板负偏差,即成形最小厚度为:δn-C1。由此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,且量词增加值(△1+△2)没有在设计计算中得到充分体现,因此有必要在图纸中提出最小厚度要求,即设计者应在图纸上分别标注名义厚度和最小成形厚度,这样制造单位可根据制造工艺和原设计的设计圆整量确定是否增加制造减薄量。
    (2) 最小成形厚度是指计算厚度与标准所规定的元件最小厚度之大值加上腐蚀裕量得到的厚度。图样中应同时标明名义厚度与最小成形厚度(加括号)。
    (3) 关于封头上开孔补强计算,GB150-1998式(8-11):
    A1=(B-d)(δe-δ)-2δet(δe-δ)(1-fr)
    式中,A1为壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积;δe=δn-(C1+C2)。
    在设计中,若直接以图纸上标注名义厚度进行计算,不能反映补强计算的真实情况,有可能造成强度不足;若以设计厚度(δ+C2)为基础进行补强计算,即δe=δ+C2,则A1=(B-d)C2-2δetC2(1-fr),将造成局部补强面积的增加。因此,有必要确定一个最小厚度,确保封头开孔补强计算满足强度要求。
3. 设计中考虑减薄量的可操作性
    (1) 随着JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》的实施,根据其中6.3.10规定"对于按规定设计的封头,成形封头实测的最小厚度不得小于封头名义厚度减去钢板厚度负偏差C1,但当设计土燕标注了封头成形后的最小厚度,可按实测的最小厚度不小于图样标注的最小厚度验收。......",由于标准提供附录A(资料性附录)《封头成形厚度减薄量》,设计者可参考此表,根据设计厚度来确定减薄量,图样上标注的名义厚度为δ+C1+C2+C3,并向上圆整至δn,而成形封头实测最小厚度为δmin=δ+C2或δn-C3,这样较好地解决GB150-1998中上述问题。
    (2) 封头设计举例
    容器内径Di=800,计算压力Pc=0.80MPa,[σ]t=170MPa,C1=0,C2=1.5,Φ=1,并在封头上开孔?98×4,求得标准椭圆形封头计算厚度、设计厚度和名义厚度,并进行开孔补强计算。
根据GB150-1998式(7-1):
            PcDi
    δ= ---------------- =1.88mm
        2[σ]tΦ-0.5Pc
    δd=δ+C2=1.88+1.5=3.38mm
    按GB150-1998,δe≥0.15%×800=1.20mm,δd>δe;名义厚度(δd+C1)向上圆整δn=4mm。
    根据GB6654,16MnR板最小厚度δn=6mm,取封头名义厚度δn=6mm。
    若不标注最小厚度,按GB150-1998要求,封头毛坯厚度δs=δn+C3。其中C3=0.78mm,δs=6+0.78向上圆整至8mm,即
δs=8mm,实际成形厚度为6.96>δn,这将造成材料的很大浪费。
    若采用封头最小厚度δmin=δ+C2,或δn-C3,则δmin=1.88+1.5或6-0.78,即δmin=3.38mm或5.22mm,即投料厚度与图纸上标注的名义厚度一致,为δn=6mm。
    封头开孔补强计算:
    δnt=4mm,接管壁厚附加量Ct=C1t+C2(其中C1t=0.5mm),则:
    δet=δnt-Ct=2mm
    di=81mm,[σ]t=130MPa,Φ=1。
              Pcdi       0.8×81
    故δt=------------=-----------=0.25mm
           2[σ]tΦ-Pc  2×130-0.8
    开孔直径d=di+2C2=84mm
    fr=130/179=0.76
    开孔所需补强面积A:
    A=dδ+2δδet(1-fr)=159.7mm2
    有效补强范围B及补强面积Ae:
    B=max(2d,d+2δn+2δnt)=168mm
    h1=min(******,接管实际外伸长度)=18.3mm
    h2=min(******,接管实际内伸长度)=0
    Ae=A1+A2+A3
    其中 A1=(B-d)(δe-δ)-2δet(δe-δ)(1-fr),δe=δmin-C2=3.72mm
    即A1=152.8mm2
    A2=2h1(δet-δt)fr+2h2(δet-C2)fr=48.7mm2
    A3=4×4=16mm2
    Ae=A1+A2+A3=217.5mm2>A
    故补强满足要求。
    从以上计算结果可以看出,两种不同的设计要求,使投料厚度有2mm之差,而后一种设计方法更趋于合理。
4. 结语
    (1)取封头名义厚度减去加工工艺减薄量之差或设计厚度(δ+C2)作为封头成形厚度的最小值,既能保证材料合理经济使用,又能满足开孔补强计算要求,同时又能保护制造厂家的合法利益。因此,建议设计单位在设计中考虑加工工艺减薄量,在图纸上标注考虑工艺减薄量后封头成形厚度所需的最小值。
    (2)JB/T4746-2002附录A《封头成形厚度减薄量》是参照日本JIS B8247标准,仅供参考。因封头成形厚度减薄量与封头所用的不同材料、不同规格大小厚薄、不同加工成形方法等有关,不是一个简单的参数。因此最安全、经济、合理的是设计厚度(δ+C2)作为封头成形后必须保证的最小厚度并和JB4732分析设计标准保持一致。
 
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