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封頭設計中考慮工藝減薄量的必要性
添加時間:2009-08-11 08:00:48      瀏覽次數:12062  【 】  關閉窗口
1. 前言
    壓力容器制造單位經常遇到這樣的問題,由于設計單位在圖紙上沒有注明封頭最小厚度要求,僅注名義厚度,根據GB150-1998《鋼制壓力容器》第10.2.1條"根據制造工藝確定加工余量,以確保凸形封頭和熱卷筒節成形的厚度不小于該部件的名義厚度減去鋼板負偏差......."。制造單位為了滿足這一要求,必須在名義厚度δn加上減薄量C3,一般常規做法是加上2mm才能達到這一要求,壁厚增加而引起重量增加,有時還會因厚度增加而導致許用應力的跳檔等,這并不能在圖紙上得到體現,而設備造價往往是根據噸位價來定的,一般用戶都不愿承擔這一附加的重量,故有必要在設計時即考慮工藝減薄量。
2. GB150-1998對封頭厚度的定義
    (1) 根據GB150-1998規定,封頭各種厚度間關系如圖1所示。
    從圖1可看出,GB150-1998要求凸形封頭和熱卷圓筒的成形厚度不小于該不見的名義厚度減去鋼板負偏差,即成形最小厚度為:δn-C1。由此導致設計和制造兩次在設計厚度的基礎上增加厚度以保證成形厚度,且量詞增加值(△1+△2)沒有在設計計算中得到充分體現,因此有必要在圖紙中提出最小厚度要求,即設計者應在圖紙上分別標注名義厚度和最小成形厚度,這樣制造單位可根據制造工藝和原設計的設計圓整量確定是否增加制造減薄量。
    (2) 最小成形厚度是指計算厚度與標準所規定的元件最小厚度之大值加上腐蝕裕量得到的厚度。圖樣中應同時標明名義厚度與最小成形厚度(加括號)。
    (3) 關于封頭上開孔補強計算,GB150-1998式(8-11):
    A1=(B-d)(δe-δ)-2δet(δe-δ)(1-fr)
    式中,A1為殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積;δe=δn-(C1+C2)。
    在設計中,若直接以圖紙上標注名義厚度進行計算,不能反映補強計算的真實情況,有可能造成強度不足;若以設計厚度(δ+C2)為基礎進行補強計算,即δe=δ+C2,則A1=(B-d)C2-2δetC2(1-fr),將造成局部補強面積的增加。因此,有必要確定一個最小厚度,確保封頭開孔補強計算滿足強度要求。
3. 設計中考慮減薄量的可操作性
    (1) 隨著JB/T4746-2002《鋼制壓力容器用封頭》的實施,根據其中6.3.10規定"對于按規定設計的封頭,成形封頭實測的最小厚度不得小于封頭名義厚度減去鋼板厚度負偏差C1,但當設計土燕標注了封頭成形后的最小厚度,可按實測的最小厚度不小于圖樣標注的最小厚度驗收。......",由于標準提供附錄A(資料性附錄)《封頭成形厚度減薄量》,設計者可參考此表,根據設計厚度來確定減薄量,圖樣上標注的名義厚度為δ+C1+C2+C3,并向上圓整至δn,而成形封頭實測最小厚度為δmin=δ+C2或δn-C3,這樣較好地解決GB150-1998中上述問題。
    (2) 封頭設計舉例
    容器內徑Di=800,計算壓力Pc=0.80MPa,[σ]t=170MPa,C1=0,C2=1.5,Φ=1,并在封頭上開孔?98×4,求得標準橢圓形封頭計算厚度、設計厚度和名義厚度,并進行開孔補強計算。
根據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;名義厚度(δd+C1)向上圓整δn=4mm。
    根據GB6654,16MnR板最小厚度δn=6mm,取封頭名義厚度δn=6mm。
    若不標注最小厚度,按GB150-1998要求,封頭毛坯厚度δs=δn+C3。其中C3=0.78mm,δs=6+0.78向上圓整至8mm,即
δs=8mm,實際成形厚度為6.96>δn,這將造成材料的很大浪費。
    若采用封頭最小厚度δmin=δ+C2,或δn-C3,則δmin=1.88+1.5或6-0.78,即δmin=3.38mm或5.22mm,即投料厚度與圖紙上標注的名義厚度一致,為δn=6mm。
    封頭開孔補強計算:
    δnt=4mm,接管壁厚附加量Ct=C1t+C2(其中C1t=0.5mm),則:
    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
    開孔直徑d=di+2C2=84mm
    fr=130/179=0.76
    開孔所需補強面積A:
    A=dδ+2δδet(1-fr)=159.7mm2
    有效補強范圍B及補強面積Ae:
    B=max(2d,d+2δn+2δnt)=168mm
    h1=min(******,接管實際外伸長度)=18.3mm
    h2=min(******,接管實際內伸長度)=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
    故補強滿足要求。
    從以上計算結果可以看出,兩種不同的設計要求,使投料厚度有2mm之差,而后一種設計方法更趨于合理。
4. 結語
    (1)取封頭名義厚度減去加工工藝減薄量之差或設計厚度(δ+C2)作為封頭成形厚度的最小值,既能保證材料合理經濟使用,又能滿足開孔補強計算要求,同時又能保護制造廠家的合法利益。因此,建議設計單位在設計中考慮加工工藝減薄量,在圖紙上標注考慮工藝減薄量后封頭成形厚度所需的最小值。
    (2)JB/T4746-2002附錄A《封頭成形厚度減薄量》是參照日本JIS B8247標準,僅供參考。因封頭成形厚度減薄量與封頭所用的不同材料、不同規格大小厚薄、不同加工成形方法等有關,不是一個簡單的參數。因此最安全、經濟、合理的是設計厚度(δ+C2)作為封頭成形后必須保證的最小厚度并和JB4732分析設計標準保持一致。
 
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