浅谈压力容器封头工艺减薄

[摘 要]文章以椭圆形封头为例，围绕压力容器封头工艺减薄问题，对比GB150《钢制压力容器》和JB/T4746《钢制压力容器用封头》两个标准的相应条款，并结合实际生产过程中可能会出现的相关问题进行分析，提出在设计时考虑封头减薄的必要性及如何进行合理的设计，以消除工艺减薄可能会带来的不利影响。
[关键词]压力容器；椭圆封头；工艺减薄

    封头是压力容器的重要零件，其成形过程一般分为冷工艺和热工艺，冷工艺分为冷冲压和冷旋压，热工艺分为热冲压和热旋压，但无论如何成形，都会涉及到局部厚度减薄问题。对于减薄量，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，并且封头的加工减薄率不是一成不变的，各个制造厂的技术水平和加工工艺参差不齐，其减薄率也不尽相同，现在关于减薄率都是由制造厂自己确定。封头的局部厚度减薄会直接影响壳体强度计算，以及开孔补强计算，减薄量是个很重要同时也是容易被忽视的参数，在压力容器设计和制造中应充分考虑。

1 考虑封头工艺减薄必要性管道切割机，相贯线切割机
1.1 壳体的工艺减薄
    根据GB150-1998《钢制压力容器》规定，封头各种厚度间关系如下所示：
    计算厚度δ 指按厚度计算公式计算得到的厚度：
    δd=δ+ C2
    δn=δd+ C1 向上圆整到钢材标准厚度
    δe=δn- C1- C2=δn- (C1+ C2)=δn- C(厚度附加量)
    GB150第3.4.8.3 条“名义厚度指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度。即标注在图样上的厚度”。而在第10.2.1 条“根据制造工艺确定加工裕量，以确保凸形封头和热卷筒节成形后的厚度不小于该部件的名义厚度减去钢板负偏差…….”。即成形最小厚度为：δn-C1。为满足规范要求，保证工艺厚度，设计和制造两个环节上都要进行圆整，从而使壁厚增加，且增加值(△1+△2)，没有在设计计算中得到充分体现，有时还会因厚度增加而导致许用应力的跳档，造成材料的浪费和设备成本增加，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(加括号)，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的较大值加上腐蚀裕量得到的厚度。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。
    随着JB/T4746-2002《钢制压力容器用封头》行业规范的实施，规范中第6.3.10 条：“对于按规则设计的封头，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，但当设计图样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……”，设计者可参考制造厂的成形减薄工艺及标准提供附录A(资料性附录)《封头成形厚度减薄量》，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，这样也较好地解决GB150-1998中上述问题。

1.2 开孔补强应考虑壳体工艺减薄
    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)；B 有效补强宽度；δ 计算厚度；C2 腐蚀裕量；C1 厚度负偏差；d 开孔直径；fr 强度消弱系数，fr=[σ]tt/[σ]t (其中，[σ]tt 为接管在设计温度下的许用应力，[σ]t为壳体在设计温度下的许用应力)。
    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。

2 需注意的问题管道切割机，相贯线切割机
2.1 材料许用应力分级
    当减薄前后涉及到材料分级时，该如何处理，这个问题的确值得探讨，不同壁厚的材料的加工工艺方法不一样，加工后材料的许用应力也不同，若不考虑封头工艺加工对材料内部晶体结构造成的影响，从而影响其应力的前提下，计算过程中，材料的许用应力，必须按照封头工艺前原始的板材的许用应力来计算。举例说明如下。
    假设现有一DN 1000 材质为16MnR 的容器，设计温度为100 ℃，焊缝系数取0.85，设计压力为4.14 MPa，计算出EHA封头的最小名义厚度为16 mm(计算厚度为14.43，1 mm 腐蚀余量)，但是如果考虑封头的工艺减薄量，封头最小也得用厚18 mm 的钢板制作，先计算一下用18 mm 钢板制作时，封头的实际最小厚度是多少。按JB/T4746-2002 第78 页16 知道，厚度减薄率=(钢材厚度-工艺封头的最小厚度)/钢材厚度，再根据JB/T4746-2002 第36 页，得知，钢材厚度为18 mm 的EHA型DN1000 封头的厚度成形减薄率为12 %，用18mm 钢材制作时封头的最小工艺厚度只有18×(1-0.12)=15.84 mm。但是查GB150-1998 第14 页表，16MnR 厚度为16 mm 的板材许用应力为170 MPa，厚度为18 mm 的板材许用应力为163MPa，现需要用18 mm 16MnR 板材的许用应力163 MPa 对封头的强度进行验算，根据名义厚度15.84 mm，有效厚度14.84MPa 来计算，计算出的最大允许工作压力为4.082 MPa，其值小于设计压力4.14 MPa。所以封头设计不安全，其他材料都有类似的现象，当计算出的封头名义厚度刚好在GB150-1998第14页许用应力表的钢板厚度分档的上限处时，均有类似的问题，应高度重视。

2.2 封头与筒体焊接
    封头和筒体间对接，为减少焊接缺陷、提高焊接质量，在封头制造厂能够满足最小工艺厚度的前提下，一般建议取封头名义厚度与筒体名义厚度相同。因为：常规设计中，封头焊缝系数，始终取1.0；这是因为，封头直径较小(≤1500 mm)时，封头采用整块钢板工艺，焊缝系数取为1.0；封头直径较大(＞1500 mm)需要拼接时，按规定封头的拼接焊缝应进行100 %无损检测，焊缝系数取为1.0 是符合规定的；筒体的焊缝系数取为0.85，从筒体和封头的计算公式可以看出：二者计算厚度接近1/0.85≈0.176，即同一条件下筒体计算厚度超过封头计算厚度约17 %，而标准椭圆封头的最大减薄量为16 %，封头取与筒体相同的名义厚度刚好可以抵消其制造减薄量。经过以上分析可以得知，封头名义厚度与筒体名义厚度相同时，封头制造过程中不需进行工艺增厚，即可保证压力容器的使用安全性，从而也能避免焊接应力集中问题，提高压力容器的质量。

3 结论管道切割机，相贯线切割机
    设计者应在图纸上分别标注名义厚度和最小成形厚度(加括号)，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的较大值加上腐蚀裕量得到的厚度。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。设计制造、过程中要充分重视封头减薄情况，避免出现技术问题及材料浪费。

 本文作者：张玉柱（天津市禾厘油气技术有限公司）

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