1、關(guān)于壓力容器設(shè)計時材料和壁厚的討論作者:云天宇2012年5月 關(guān)于壓力容器設(shè)計時材料和壁厚的討論摘要：討論壓力容器設(shè)計時材料與壁厚的選取進(jìn)行討論，以及厚度的變化對強(qiáng)度的影響。關(guān)鍵詞：壓力容器；設(shè)計；選材；厚度；強(qiáng)度；標(biāo)準(zhǔn)壓力容器，是指盛裝氣體或者液體，承載一定壓力的密閉設(shè)備，為了與一般容器(常壓容器)相區(qū)別，只有同時滿足下列三個條件的容器，才稱之為壓力容器：（1）工作壓力（注1）大于或者等于0.1Mpa(工作壓力是指壓力容器在正常工作情況下，其頂部可能達(dá)到的最高壓力（表壓力）); （不含液體靜壓力） （2）內(nèi)直徑（非圓形截面指其最大尺寸）大于等于0.15m。且容積（V）大于等于0.025立方米

2、，工作壓力與容積的乘積大于或者等于2.5MPa-L(容積，是指壓力容器的幾何容積）; （3）盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體以及介質(zhì)最高工作溫度高于或者等于其標(biāo)準(zhǔn)沸點的液體。壓力容器中的介質(zhì)種類繁多，來源廣泛，這些介質(zhì)中具有易燃、易爆、有腐蝕的特性。因此壓力容器選材根據(jù)介質(zhì)特性的不同而不同。壓力容器鋼板有碳素鋼板、低合金鋼鋼板、高合金鋼鋼板、不銹鋼與碳素鋼等多種材料，且每種鋼板都有它的使用范圍。選取時應(yīng)考慮多方面因素。使設(shè)計的壓力容器安全又經(jīng)濟(jì)合理。 GB150-2011計算厚度是指按各章公式計算得到的厚度；設(shè)計厚度是指計算厚度與腐蝕裕量之和；名義厚度指設(shè)計厚度加上鋼板厚度負(fù)偏差后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)

3、格厚度，即標(biāo)注在圖樣上的厚度；有效厚度指名義厚度減去腐蝕裕量和鋼板厚度負(fù)偏差。成型后最小厚度，一般指封頭壓形后會減薄，不同的制造工藝減薄量不同，所以封頭都有成型后最小厚度。我們這里主要討論名義厚度與最小厚度之間關(guān)系和選用。GB150-2011規(guī)定等國家標(biāo)準(zhǔn)的原則，制造工藝人員要根據(jù)圖樣厚度考慮加工減薄量而增加制造元件的毛坯厚度。在我國材料標(biāo)準(zhǔn)中，鋼板厚度范圍變化，鋼板的b、s也有變化，一般是板厚增加，b、s有所降低。我國壓力容器用鋼板許用應(yīng)力隨板厚厚度范圍增厚而有所降低，因而可能出現(xiàn)雖然有時板厚增加，強(qiáng)度反而降低的現(xiàn)象，尤其是封頭，這種現(xiàn)象更明顯。2 實例 為了證明上述現(xiàn)象存在，舉例如下：首先

4、我們給出常用鋼板在不同狀態(tài)下的強(qiáng)度指標(biāo)，如下表所示： 常用鋼板在不同狀態(tài)下的強(qiáng)度指標(biāo)表 2.1 例1 某臺儲氣罐，其封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形，材質(zhì)15MnVR，設(shè)計內(nèi)徑Di=2000mm，腐蝕裕度C2=1mm，焊縫系數(shù)=1，設(shè)計壓力P=2.6MPa，設(shè)計溫度t=20，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭形狀系數(shù)K=1，設(shè)計圖樣上封頭名義厚度n=16mm.制造廠選用18mm厚度鋼板壓制封頭，該制造廠壓制封頭時最大成型減薄量為x10%，即18x10%=1.8(包含鋼板厚度負(fù)偏差在內(nèi))。 (1)選用18mm厚度鋼板壓制封頭， 15MnVR鋼板厚度負(fù)偏差C1=0.25mm，封頭成型后最小厚度min=18-1.8=16.2mm，名義厚

5、度一鋼板厚度負(fù)偏差=16-0.25=15.75mm，即滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。 (2)16mm圖樣厚度滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。對圖樣封頭厚度16mm進(jìn)行強(qiáng)度校核:t=177MPa， 根據(jù)壁厚計算厚度公式=KPCDi/(2t0.5PC)PC:設(shè)計壓力,單位:MPa；Di：筒體內(nèi)徑：；t：在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力；為焊接接頭系數(shù)。K為橢圓封頭形狀系數(shù)考慮腐蝕裕量C2=1mm，封頭設(shè)計厚度d=+C2=14.74+1=15.74mm，再考慮鋼板厚度負(fù)偏差C1=0.25mm，d+C1=15.74+0.25=15.99mm，現(xiàn)圖樣厚度B.=16mm>15.99rmn，即滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。 (3)板厚增加，強(qiáng)度反而不符

6、合要求。查18mm厚度的15MnVR封頭材料的許用應(yīng)力t=170MPa，此時，封頭計算厚度： 考慮腐蝕裕度C2=1mm，則封頭設(shè)計厚度d=15.35+1=16.35mm，現(xiàn)封頭成型后最小厚度(包含鋼板厚度負(fù)偏差在內(nèi))為：18-1.8=16.2mm<封頭設(shè)計厚度16.35mm，即不滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。2.2 例2 某低溫反應(yīng)容器(t=25)的球形封頭材質(zhì)為15MnNiDR，圖樣厚度20mm，設(shè)計壓力p=7.65MPa，設(shè)計內(nèi)徑Di=1500mm，腐蝕裕度C2=1mm。制造廠選用22mm鋼板壓制球形封頭，該制造廠壓制封頭時最大成型減薄量(包含鋼板厚度負(fù)偏差在內(nèi))為x12%=22x12%=2.6

7、4mm。 (1)選用 22mm厚度的15MnNiDR鋼板厚度負(fù)偏差為0.8mm，封頭成型后最小厚度(包含鋼板厚度負(fù)偏差在內(nèi))min=22-2.64=19.36mm>圖樣厚度-鋼板厚度負(fù)偏差=20-0.8=19.2mm，即選用22mm厚度鋼板壓制球形封頭，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。 (2)對圖樣球形封頭厚度進(jìn)行強(qiáng)度校核，:t=163MPa根據(jù)壁厚計算厚度公式=PCDi/(4tPC) PC:設(shè)計壓力,單位:MPa；Di：筒體內(nèi)徑：；t：在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力；為焊接接頭系數(shù)?？紤]腐蝕裕度C2=1mm，則封頭設(shè)計厚度b=17.8+1=18.8mm，再考慮鋼板厚度負(fù)偏差C1=0.8mm,a+C1=18.8+

8、0.8=19.6mm<20mm圖樣厚度，即圖樣厚度20mm滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。 (3)板厚增加，強(qiáng)度反而不符合要求。雖然制造時考慮加工成型減薄量，增加了壓制封頭鋼板厚度，滿足了GB150-98封頭最小厚度圖樣厚度-鋼板厚度負(fù)偏差的要求，但由于鋼板厚度增加后由163MPa降至157MPa，此時，球型封頭計算厚度： 再考慮腐蝕裕度C2=1mm，則球形封頭設(shè)計厚度a=+C2=18.5+1=19.5mm，現(xiàn)封頭成型后最小厚度min=22-2.64=19.36mm<19.5mm，故不能滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。3結(jié)束語由以上實例說明，若不考慮板厚增加，材料力學(xué)性能降低這一因素，將可能制造出強(qiáng)度不夠的不

9、合格受壓元件。除了上述兩例材質(zhì)外，還有其它多種鋼種，如 16MnR,16MnDR等的力學(xué)性能均隨厚度范圍變化。因此，設(shè)計人員在選用我國鋼板進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)充分考慮材料許用應(yīng)力隨板厚范圍變化而變化的問題；應(yīng)增加最小厚度值，確保制造工藝人員為彌補(bǔ)加工減薄量而增加板厚時，受壓元件成型后最小厚度仍能滿足設(shè)計強(qiáng)度要求。目前，我國壓力容器設(shè)計依據(jù)GB150-2011鋼制壓力容器，是國內(nèi)普遍遵循的原則。選定壓力容器用材后，在確定鋼板的厚度，設(shè)計人員在壓力容器厚度選取時，要充分考慮厚度變化對強(qiáng)度的影響，尤其是設(shè)計厚度處于相應(yīng)材料厚度范圍臨界值時，材料需用應(yīng)力會隨板厚變化而變化，而不是認(rèn)為板厚增加，元件強(qiáng)度會提高，或在制造過程中“以厚代薄”的材料代用，（這樣容易使殼體的受力由平面應(yīng)力狀態(tài)向平面應(yīng)變狀態(tài)轉(zhuǎn)變，對容器的受力狀態(tài)有害而無利。厚壁容器更容易產(chǎn)生三向拉應(yīng)力的平面應(yīng)變脆性斷裂。如加厚封頭，會形成殼體的幾何不連續(xù)，造成局部應(yīng)力。這種不利影響對有應(yīng)力腐蝕開裂傾向的容器和承受狡辯載荷的容器后果尤為嚴(yán)重。所以如何按照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行厚度的恰當(dāng)