椭圆弧加圆弧型封头在压力容器的应用

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摘要：椭圆弧加圆弧型封头力学性能优越，且成形方便，与此种封头有关的企业标准已获全国锅炉压力容器标准化技术委员会备案[2]。但是，在推广应用此封头的过程中，由于缺少相应的计算程序，从而给压力容器设计人员选用此封头带来一定的不便。为此，本文提出采用SW6过程设备强度计算软件包应用于椭圆弧加圆弧型封头强度计算，供有关设计人员参考。

关键词：SW6;过程设备强度计算软件包;椭圆弧加圆弧形封头

标准椭圆形封头形状系数为0.92的椭圆形封头目前，压力容器领域中广泛采用的标准椭圆形封头（简称标椭封头）虽然跟筒体等强度，但当考虑其成形减薄量时，通常其坯料厚度要比筒体大2mm，约10%左右。文献[1-2]介绍的椭圆弧加圆弧型封头（简称新型封头）比标椭封头力学性能优越，其内压计算厚度δ是标椭封头的0.92倍，通常可做到封头坯料与筒体等厚度，既节省了材料，又方便了备料。此种封头的企业标准已获全国锅炉压力容器标准化技术委员会备案[2]，目前正在推广应用。但是，在推广应用此封头的过程中，由于缺少相应的电脑计算程序，从而给压力容器设计人员选用此封头带来一定的不便。为此，本文提出采用SW6过程设备强度计算软件包[3]应用于椭圆弧加圆弧型封头强度计算，供有关设计人员参考。

1标椭封头以及新型封头内表面经线的形成及特性

[1-2,5]如图1所示，在平面直角坐标系XOY中，椭圆的中心位于原点O，椭圆的长半轴与短半轴分别位于X、Y轴，椭圆的长半轴与短半轴之比值为2，第一象限中的椭圆弧段与坐标轴X、Y的交点分别为B、A，于是，椭圆弧BA构成了标椭封头的经线。标椭封头以及与其相连接的筒体的内直径为D，显然，其内表面的深度OA为0.25D。进而，取OB的中点E作OB的垂线与椭圆弧BA相交于点F（X0，Y0），所述新型封头以及与其相连接的筒体的内直径为D，F点的坐标值满足以下公式：X0=(1/4)D，Y0=(30.5/8)D（1）作F点的法线FM交Y轴于点M（X1，Y1），M点的坐标满足以下公式：X1＝0，Y1＝－（3×30.5/8）D（2）以M点为圆心，FM为半径，画圆弧FN与Y轴相交于N（X2，Y2）点。半径FM满足以下公式：FM＝（130.5/4）D≈0.9014D（3）N点的坐标满足以下公式：X2＝0，Y2＝（2×130.5－3×30.5）/8D≈0.2519D（4）于是，椭圆弧BF和圆弧FN构成了新型封头的经线。显然，0.2519D是此种封头内表面的深度，它与标椭封头深度0.25D的比值为1.0076，二者相差很小。进一步地，内表面积和内容积二者相差亦很小。

2新型封头和标椭封头以及形状系数为0.92的椭圆形封头的异同

进行内压计算时，新型封头计算厚度是标椭封头计算厚度的0.92倍[2]，故其名义厚度不会大于标椭封头，只会小于或等于标椭封头。进行外压计算时，二种封头的计算厚度是相同的。可得结论：新型封头的名义厚度小于等于标椭封头的名义厚度。于是，通常情况下，新型封头的投料厚度小于等于标椭封头的投料厚度。进行内压计算时，新型封头计算厚度跟形状系数为0.92的椭圆形封头一致，从而名义厚度一致。进行外压计算时，形状系数为0.92的椭圆形封头计算厚度偏小。此外，后者较深，表面积、容积偏大，同时跟标椭封头一样无法旋压成形。新型封头和标椭封头以及形状系数为0.92的椭圆形封头的最小有效厚度均是封头内直径的0.15%[4,7-8]。

3新型封头设计借鉴

SW6过程设备强度计算软件包的方法之一采用SW6计算新型封头时，用标椭封头程序进行计算。如果是内压计算，那么，新型封头的计算厚度取标椭封头计算厚度的0.92倍。如果是外压，那么，新型封头的计算厚度取标椭封头计算厚度。如果新型封头没有开孔接管，那么，新型封头成形后最小厚度就是标椭封头计算厚度的0.92倍（特别情形跟标椭封头一样按最小有效厚度0.15%D计算）与腐蚀裕量的和以及外压计算厚度与腐蚀裕量的和的较大值。如果新型封头有开孔接管，那么，新型封头成形后最小厚度与标椭封头一样还要计及开孔补强所需要的厚度[2,6]。需要特别指出的是：进行开孔补强计算时，标椭封头的计算厚度公式随着接管的位置不同而不同[8]，而新型封头是相同的，因此，借用SW6进行标椭封头计算时，当接管位置在0.8D范围之内时，相应的新型封头接管所需补强面积应是标椭封头上对应面积与0.92与0.90比的乘积；当接管位置在0.8D范围之外时，相应的新型封头接管所需补强面积应是标椭封头上对应面积与0.92的乘积。此外，由于新型封头和标椭封头形状差别很小，因此进行直立设备、塔设备、卧式设备等计算时就按标椭封头进行计算。

4新型封头设计借鉴

SW6过程设备强度计算软件包的方法之二内压作用下的新型封头计算可以用形状系数为0.92的椭圆形封头代替，此封头的半径和深度的比值为1.8762即深度和半径的比为0.533。由于二者内压的计算厚度公式一致，故计算厚度值相同。当进行开孔补强计算时，为了使二者计算结果一致一律认为所有开孔接管位置都在0.8D范围之外。外压作用下的新型封头计算可以用标椭封头代替，而不宜用形状系数为0.92的椭圆形封头代替，因为二者计算半径不同。计算封头成形后最小厚度与前述相同。进行直立设备、塔设备、卧式设备等计算时二者形状差别可忽略不计。

5举例设计条件

Pc＝1.0MPa，t＝50°C，Di＝3400mm，[σ]t＝185MPa，φ＝1.0，材料Q345R，则标椭封头δ为9.2mm,而椭圆弧加圆弧型封头δ为8.5mm。钢材腐蚀裕量为1.5mm，则其名义厚度均为12mm，于是投料厚度可分别为14mm、12mm，其最小成形厚度分别为11.9mm、10.2mm。其质量分别为1392.0Kg、1191.4Kg。后者约占前者86%。

6小结

综上所述，采用SW6过程设备强度计算软件包计算新型封头的原则是：采用第一种方法计算时要注意区分新型封头和标椭封头内压计算公式系数的不同；采用第二种方法时要注意区分新型封头和形状系数为0.92的椭圆形封头外压计算参数的不同。无论采用何种方法，进行直立设备、塔设备、卧式设备等计算时新型封头和标椭封头以及形状系数为0.92的椭圆形封头形状差别可忽略不计。新型封头的深度、内表面积、容积、质量等可查参考文献[2]有关表格或计算公式。致谢：新型封头的研制与应用是在合肥通用机械研究院陈学东院士，华东理工大学涂善东院士，宜兴市九洲封头锻造有限公司袁文新董事长以及泰州市傅卫国教授级高级工程师等的支持帮助下完成的，特此一并致谢。

参考文献

[1]李业勤,陈志伟,张阳.压力容器新型封头的研究[J].化工装备技术,2020,41(2):63-66.

[2]宜兴市九洲封头锻造有限公司企业标准Q/3202JZH001-2020钢制压力容器椭圆弧加圆弧型封头.

[3]SW6《过程设备强度计算软件包用户手册》.

[4]李业勤.凸形封头最小有效厚度确定[J].石油化工设备，2001，30(5)：35-36.

[5]李业勤.钢制压力容器封头实用技术[M].北京：原子能出版社，1999.

[6]梁立军,杨雯
,史良庆,汪琴,李业勤.压力容器封头最小成形厚度的确定[J].石油和化工设备，2011，14(10):15-16.

[7]李业勤，刘彬，张阳.椭圆弧加圆弧型封头最小有效厚度计算公式论证[J].石油和化工设备，2021，50(4):48-51.

[8]GB/T150.3压力容器第3部分：设计.

作者：李业勤 张阳 钱春 倪永良 单位：常州化工设备有限公司 中广核工程公司 江苏民生重工有限公司 江苏省化工设备制造安装有限公司