摘要：近年来，随着材料工艺等技术不断更新，国家相关标准也在不断完善，但是压力容器事故仍然不断，例如特种设备开孔问题,往往小问题容易忽视,但是一旦泄露造成的损失也是很大的, 本文主要简单阐述压力容器用椭圆封头开孔问题以及封头成形厚度等相关问题
关键词：压力容器 封头 应力分析
1.椭圆封头开孔位置的设计
1.1按照GB150-1998规定椭圆开孔位置最好在以封头中心为中心的80%封头内直径的范围内,尽量不要再小R过渡区（0.8Di以外的区域）,新标准 GB/T150.1～4-2011规定如果避免不了，允许在封头小R上开孔（计算公式与开在0.8Di范围内不同），如下公式 (1)为在80%范围内开孔，公式(2)为80%外开孔。
δ计算厚度=PCK1DI/(2[σ]tφ-0.5PC) (1)
δ计算厚度=PCDI/(2[σ]tφ-0.5PC) (2)
公式中K1相当于当量球壳系数，对标准椭圆封头取0.9，在80%以内所需的计算厚度小10%，即需要补强面积也相应的减小，设备更安全。
1.2为了更进一步说明标准椭圆封头的受力情况，通过有限元分析宏观了解封头受力情况，如下图1，通过利用Pro/E有限元分析建立的标准椭圆封头模型（基本结构确定）。假定设计压力为1.5MPa，设计温度100℃，设计温度下材料许用应力为189MPa，封头制造材料为Q345R，弹性模量为2.01E11pa，泊松比0.3。
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图1
1.3有限元模型单元类型选择
标准椭圆封头的几何形状是对称的，同时承受的对称载荷作用，则元件受力后所有的应力分量以及应变分量和位移分量也都是对称的。所以只需要考虑压力封头的半部分平面的有限元分析，通过对封头壁厚的纵剖面进行应力分析代替整个封头应力分析，简化分析过程及提高解算精度。
1.4建立有限元模型，定义边界条件
封头受载荷综合作用后，几乎每个部分都会发生弹性变形和位移，但是封头是轴对称结构，25mm直边段底部几乎可以看做没有变化，故对其底面进行全部自由度约束，在一定程度上接近真实情况。如下图2，沿着封头内壁施加压力P（P=1.5MPa设计压力），在压力容器的封头内表面处，见图3。
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图4
1.5查看分析结果及应力分布
通过软件自带的mechanica（M）机械模拟应用中的标准/静态分析结果，图4为应力变化图，从图中可以明显宏观看出，在封头内表面最大应力集中在封头小R角处（红色区域）。
因此在封头上开孔避开小R区域是非常必要的。
2.标准椭圆封头成形最小厚度问题
首先解释“最小成形厚度”，即GB150.1-2011第3.1.14条 “受压元件成形后保证设计要求的最小厚度”，是考虑元件满足设计要求的强度、刚度和设计使用寿命所需的最小厚度，与其他厚度的关系可以理解为:
1)与设计厚度关系：最小成形厚度应不小于设计厚度，在壳体和接管的连接部分，除考虑壳体的设计厚度外，还应考虑开孔补强所需要的补强厚度，该值是满足元件强度要求的最小厚度；
2）与名义厚度、有效厚度的关系：在给定了元件的名义厚度的情况下，最小成形厚度的最大可能值为名义厚度减去加工减薄量，及有效厚度加腐蚀裕量；
3）制造单位在确定刚才厚度时，应依据设计者确定的最小成形厚度，根据自身的制造经验对设计圆整量和加工裕量一并考虑，减少“二次圆整”导致钢材的浪费。
详细各厚度关系见下图5
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图5
因此图样上两者都要标，一般标注成“名义厚度（最小成形厚度）”，标注最小成形厚度可以避免制造单位为保证“名义厚度减去钢板负偏差”选购材料规格大于名义厚度的钢板，及“二次圆整”导致材料的浪费，或增加不必要的加工费用。
有时候对设备强度安全也有隐患，如图样标注名义厚度16mm，制造厂“圆整”后胚料厚度>16mm，导致胚料钢板的许用应力下降（厚度超越临界厚度分档值），按照名义厚度计算出来的封头厚度值不准确，有可能使封头厚度不够，造成安全隐患。
为避免封头制造厂胚料厚度二次“圆整”，新版GB/T150.1～4-2011第4.3.8条中规定：容器元件的名义厚度和最小成形厚度一般都应标注在设计图样上，封头最小厚度应取名义厚度-成形减薄量-钢板厚度负偏差。即名义厚度即为下料公称厚度。
结束语:
安全大于一切,压力容器厚度问题一直存在争论,考虑到经济型等因素,许多特种设备制造单位因偷换材料,偷换厚度等原因造成的损失任然存在,但是一味的追求经济忘掉了安全的底线和红线,给国家和用户单位也带来了相当大的损失,因此建议所有制造单位严格按照图纸要求施工,如有设备变动，依据中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局颁布《固定式压力容器安全技术监察规程》有关规定“制造单位需要对原设计文件进行变更，应当取得设计单位同意变更的书面批复文件，并且对改动部分作详细记载”及时联系设计单位。
参考文献
[1]寿比南、杨国义、李世玉、薛明德、徐峰等--《压力容器》GB/T150.1～150.4-2011。
[2]张义军、王冰、李天林等--《压力容器封头》GB/T25198-2010。
[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局颁布《固定式压力容器安全技术监察规程》TSG 21-2016。
论文作者:闫洪超
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第26期
论文发表时间:2018/12/11
标签：厚度论文; 封头论文; 应力论文; 最小论文; 椭圆论文; 名义论文; 压力容器论文; 《建筑学研究前沿》2018年第26期论文;