压力容器球形封头与简体连接结构分析VIP

第 2期 2 0 1 0年 3月 锅炉制造 B0I LER MANUF ACTURI NG No 2 Ma r 2 01 0 文章编号 ： C N 2 31 2 4 9 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 0 5 3 0 4 压 力容器球形封头与简体 连接 结构分析 郜愿锋 ， 李 明， 张旭 ( 哈 尔滨锅炉厂有限责任公司， 黑龙江 哈 尔滨 1 5 0 0 4 6 ) 摘要： 球形封头是压力容器中常用的封头形式 ， 其壁厚与简体壁厚相差较大， G B 1 5 01 9 9 8中将筒体与球形 封头的对接环形焊缝定义为 A类焊接接头。本文从壁厚计算公式角度出发， 讨论了工程中常用的球形封头 与筒体的连接结构及其合理性 ， 得出球形封头与简体连接应遵循的基本原则。 关键词： 压力容器 ； 球形封头； 简体； 壁厚； 连接结构 中图分类号 ： T Q 0 5 5 8 文献标 识码 ： B Co n n e c t i o n S t r u c t ur e An a l y s i s b e t we e n Cy l i n d e r a n d S p h e r i c a l l y Di s h e d o f Pr e s s u r e Ve s s e l G a o Y u a n f e n g ， L i M g， Z h a n g X u ( H a r b i n B o i l e r C o mp a n y L i m i t e d ， Ha r b i n 1 5 0 0 4 6 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： S p h e ric a l l y di s h e d i s o n e o f t h e mo s t p o p u l a r h e a d s f o r m i n p r e s s u r e v e s s e l ，t h e t h i c kn e s s o f c y l i n d e r i s mu c h bi g g e r t h a n s ph e ric a l l y d i s h e d，S O t he b u t t c i r c l e we l d s be t we e n c y l i n d e r a n d s p h e ric a l l y d i s h e d i s de fin e d a s c a t e g o r y A i n c r i t e ria GB1 5 0 1 9 9 8 F r o m t h e a s p e c t s o f t h i c k n e s s c a l c u l a t i n g f o rm u l a，t h e c o n n e c t i o n s t r u c t u r e a n d f e a s i b i l i t y b e t we e n c y l i n d e r a n d s p h e ric a l l y d i s h e d we r e d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r I t a l s o d e s c r i be s b a s i c p rin c i p l e s for t he c o n n e c t i o n be t we e n c y l i nd e r a n d s p h e ric a l l y d i s h e d Ke y wo r ds： pr e s s u r e v e s s e l ； s p he ric a l l y di s h e d； c y l i nd e r ； t h i c k n e s s ； c o n n e c t i o n s t r uc t u r e 0 引 言 在压力容器中 ， 球形封头 与其它形式的封头 相 比， 球形封头的受力最好 ， 在相 同直径和压力下 所需厚度最小 ， 最节省材料 ， 因而在压力较高的容 器中常常使用 。与此同时， 在所有形式 的封头与 简体连接 中， 球形封头厚度与简体厚度相差最大， 它们之间的连接 结构不仅影响设备的制造 ， 而且 也是容 器 能 否 安 全 运 行 的 重 要 因 素 之 一。在 G B 1 5 01 9 9 8中也将简体与球形封头的对接环形 焊缝定义为 A类焊接接头 。 1 壁厚计算 研究筒体和封头连接形式之前 ， 我们首先来 看一下容器壁厚的计算。 1 1 简体壁厚的计算 我们知道简体的应力状况是两相薄膜应力 、 环向应力为轴 向应力 的两倍 ， 内压 圆筒壁厚计算 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 61 5 作者简介： 郜愿锋( 1 9 8 3一)， 男， 2 0 0 6年 毕业于东 华理工学院核工程与核技术专业，助理工程 师， 从事压力容器 的设计开发工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 4 锅炉制造 总第2 2 0期 公式是从 圆筒与内压的静力平衡条件得出的。图 1 为内压圆筒受力图。首先假设应力沿圆筒壁厚 均匀分布， 压力 P 产生轴向分力和径向分力。 图 1 圆筒受力图 ( 1 ) 按圆筒轴向应力计算 ： 压力 P 在圆筒轴向产生的总轴向力 ： Fl= “7 T 2 P 圆筒横截面的面积： A1=7 r D 由此产生的圆筒轴向应力： “1 7 “U 2 i p c p cD t 当 时： P D ( 2 ) 按圆筒径向应力计算 ： P 对圆筒径向作用 ， 在半个 圆筒投影面上产 生的合力 ： F2=P D f 承受此水平合力的圆筒纵截面面积： A2=2 8 1 由此产生的圆筒环向应力 ： P D Z P D 一 当 咖时： P Di 从上面推导可 以看 出， 简体按轴 向应力计算 所得壁厚小于按径 向应力计算所得壁厚 ， 因此 ， 简 体壁厚按后者计算 。 上述计算公式是在假设成立 的前 提下得 出 的， 但这个假设只适用 于薄壁容器。对于较厚壁 厚的圆筒， 其环向应力并不是均匀分布的 ， 上述计 算公式计算结果与实际存在较大误差 。 对厚壁圆筒中的应力情况以由弹性力学为基 础推导得出的拉美公式较好地反映了其分布： 厚壁筒中存在 的三个方面 的应力 ， 其 中只有 轴向应力是沿厚度均匀布的。环向应力和径 向应 力均是非均匀分布的， 且 内壁处为最大值。筒壁 三向应力中， 以周向应力最大， 内壁处达最大值， 外壁处为最小值 ， 内外壁处 的应力差值随 K=D 。 D i 增大而增大。当 K=1 5时 ， 由薄壁公 式按均 匀分布假设计算的环向应力值 比按拉美公式计算 的圆筒 内壁处的最大环 向应力要偏低 2 3 ， 存在 较大的计算误差。 由于薄壁公式形式简单 ， 计算方便 、 适于工程 应用。为了解决厚壁筒时薄壁公式引起的较大误 差， 由此采取增大计算内径 ， 以适应增大应力计算 值的要求 。为此将圆筒计算内径改为中径 ， 即以 + 代替 代入薄壁内径公式 中， 则有 ： P ( D + 6 )P D + p 6 ： 经变形得 ： 8 ( 2 0 - 一P )= P D 当 。 控制在 ， 且考虑接头系数 时， 即 取 时， 则 ： 2 一 P 此即 G B 1 5 0中的内压圆筒中径公式 。 1 2 球形封头壁厚的计算 球形封头的应力状况是各 向薄膜应力相等， 其厚度计算式为： 一 4 o r 一 P 公式来由同圆筒轴 向应力作用情况， 都是 出于修 正内径公式在厚壁情况下存在 的较大误差 ， 这里 就不再讨论。比较球壳与简体的壁厚计算公式可 以看出， 球壳的计算厚度只有简体壁厚的一半 ， 即 使加上工艺增厚 ， 封头 的厚度 也要小于简体壁厚 很多。 式中： 6 一圆筒或封头的计算厚度 ； P 一计算压力 ； 一设计温度下圆筒 或封头的材料的许 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第2期 郜愿锋， 等： 压力容器球形封头与筒体连接结构分析 5 5 用应力 ； 一 焊接接头系数 。 2 问题 的提 出 由于壁厚的差异 ， 筒体与球形封头 的连接不 可能实现直接对接 ， 但是还要保证筒体 与球壳连 接的结构连续性。如果 直接将筒体切削 ， 如图 2 所示 ， 即在 L范围内逐渐将简体切削至与球壳壁 厚一致 ， 假设简体壁厚 8刚好满足设计要求 ， 那么 在距封头边线 L内的简体厚度要小 于壁厚 6 ， 而 筒体壁厚的计算公式是按圆筒径 向应力计算得到 的， 因此在这个范 围内简体的厚度不满足设计要 求 ， 将会导致容器失效 。如若保证 范 围内 满 足壁厚要求， 那么在筒体其余长度上壁厚势必大 于计算厚度 ， 如果设备 内径 、 壁厚很大 ， 增加壁厚 将大大提高容器 的制造成本 ， 这在工程 中是不可 想象的， 这种连接方式不可取。 一 图 2直接 削边 3 连接 方式 既然不能切削简体 ， 那么我们可以加厚球壳 。 如图 3所示 ， 采用加长简体再 削边 。将筒体长度 延长 L， 相应地封头减少 L ， 在 L范围内将简体削 边 ， 这就相 当于球心位 置不变 ， 在 L范 围内对球 壳进行了局部加厚 ， 并保证 了结构的连续性 。简 体和球壳连接所引起的残余应力和变形可简化为 图 4所示的力学模型进行分析。由于球壳 和圆筒 组合成的组合壳体在连接处的变形是连续 的， 从 受力图中我们能看出， 简体 削边范 围 L的受力状 况应与球壳受力状况相 同， 所 以不能将 其按简体 计算。而按球壳壁厚计算公式时 ， 削边后的壁厚 也是满足壁厚要求的。这种连接方式符合设计要 求 另一种方法是采取堆焊 ， 如图 5所示 ， 即采用 局部加厚封头， 使之满足设计 、 制造要求。这种连 接方式原则上是符合设计要求的。但是由于堆焊 材料昂贵 ， 一般情况下在工程中采用 的是加长筒 体再削边方法 ， 只有在特殊情况下才采取堆焊方 式。 图 3 加长简体再削边 。 一 二 二 一 q q 图 4 球 形封头力学模型简图 图 5 堆焊 下转第 5 9页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 陈勇， 等： 小管 D类角焊缝射线照相检验 5 9 表 1 底片数据 底 片号 缺陷长度 缺陷处黑度 像质计处黑度 l一2 23 34 45 56 6一l 3 6 4 2 4 2 O 6 2 4 2 3 2 8 3 4 1 2 5 2 9 8 3 3 2 7 3 5 从图 6中和上表 1中可以看 出， 缺 陷处和像 质计处 的黑度都在 2 0 4 0范围内。但焊缝根 部 由于厚度太大 ， 一部分区域黑度低于 2 0 ， 此处 图像基本上无法识别 ， 容易造成漏检。而从多个 方向进行透照更有利于发现缺陷， 可以减小一部 分漏检区域。 4 结 论 在进行无损检验时， 任何 一种检验方法都不 能保证 1 0 0 的检 出缺陷， 尤其是对 于一些结构 复杂的工件。但是如果我们认真分析， 采取一些 必要的措施 ， 可以减少漏检 的可能性。本文所描 述的小管射线照相检验存在一些漏检区域 ， 有些 是无法避免的， 例如焊缝与母材 的结合处无法在 底片上投影。针对射线检验存在的漏检区域可以 采用其它方法进行补充检验， 如进行 U T 、 M T等。 通过采用其它方法进行补充检验可以尽可能多地 发现一些有危害的缺 陷， 保证产 品能够安全的使 用 。 上接第 5 5页 另外 ， 在工程 中， 当壁厚较小 时， 可采用封头 名义厚度与简体名义厚度相 同的方法 ， 半球壳与 圆筒 的连接为切线连接 ， 没有横推力 ， 当采用与筒 体等厚的半球封头时 ， 边界效应的影响甚小 ， 此时 可仅按薄膜应力进行设计 ， 而不 必考虑边缘应力 的影响。并且 ， 等厚封头制造过程 中不需要进行 工艺增厚， 即可保证压力容器 的使用安全性 ， 又可 避免 由于重量增加而引发造价不一致的问题。实 践证 明， 封头和筒体选用相同厚度 ， 还有利于减少 焊接缺陷、 提高焊接质量 ， 也相应降低容器制造成 本。但当壁厚 比较大时 ， 从节约钢材 、 降低成本的 角度考虑 ， 这样 的设计显得不合理。 4 结 论 随着技术水平 的进 步 ， 新设 备 、 新 工艺 的产 生 ， 以及工程 中一切 以效益 为前提 的角度来看 ， 还会有新型球 形封 头与 筒体 的连 接形式 产生 ， 但是 ， 从上 边 的讨 论我 们可 以得 出球 形封 头与 筒体连接应遵循 的基本 原则 ： 不 能削薄 圆筒 ， 局 部加厚球壳。不论何种连接