摘要: 通过比较几种旋压封头与标准椭圆封头的形状, 并在理解JB4732、ASME、AD 等规范关于凸形封头的设计计算方法的基础上, 认为只要能满足GB150-98规定的标准椭圆封头的允许形状偏差, 不论封头的成形方法如何, 都应属于标准椭圆封头, 故在材料、厚度相同时可以等效代替标准椭圆封头。
关键词: 旋压封头 近似椭圆封头 标准碟形封头 深碟形封头 标准椭圆封头
随着封头的大型化, 整体成形封头的技术也得到了巨大发展, 如旋压成形封头目前已得到了广泛应用, 而且也已制定相应的标准——《旋压封头》。但是, 随着这一标准的颁布与实施, 一些科技工作者就该标准的一些与标准椭圆封头形状十分接近的封头是否可以等效代替标准椭圆封头提出了质疑,其理由是旋压封头应属于碟形封头, 因此不能等效替代。与此相反, 另外一些人则认为只要封头实际形状符合标准椭圆封头形状公差要求, 则可以等效替代。笔者也曾专门撰文就上述两种观点进行了评述, 并根据一些应力分析设计规范对文《对冷旋压近似椭圆封头代替标准椭圆封头的分析》的观点给予支持。鉴于目前仍有很大一部分人不同意文《对冷旋压近似椭圆封头代替标准椭圆封头的分析》的观点, 为此笔者认为还有必要从更全面的观点对上述问题进行阐明, 以求达成共识, 这也是笔者再次讨论此问题的目的。
1 几种近似椭圆封头的几何形状管道切割机，相贯线切割机
最常见的几种近似椭圆封头的几何参数及形状系数见表1。由于文《近似椭圆封头与标准椭圆封头的比较》认为这些封头都属于碟形封头, 因此其封头计算皆应按碟形封头公式计算, 故其壁厚与标准椭圆封头相比, 必将增大ξ倍, 上述几种封头的具体ξ值也列于表1中。
从表1 可以看出, 按碟形封头计算结果其壁厚至少应增加5.6%, 最多达32.4 % ; 就是标准型其增加量也达到19.6%。从表1中还可以发现, 上述几种封头的形状系数十分接近, 都在1.324 左右, 与标准型相比偏差在0.5% 以内。是否说明上述几种封头的几何形状也十分接近呢? 曾有人专门对几种近似椭圆封头的理论曲线与标准椭圆封头曲线间的偏差进行了计算, 现摘列于表2 中。从表2 中的数据可以看到, 几种近似椭圆封头的理论形状与标准椭圆封头间的偏差皆未超过文献《GB150-1998钢制压力容器》规定的1.25 Dg %。也就是说, 如果旋压后的封头用标准椭圆封头样板检查, 其偏差如果符合文献《GB150-1998钢制压力容器》的规定,则显然就属于标准椭圆封头的范畴, 此时也就可以等效替代。而从表2 的数据看, 完全能够满足GB150-98的要求。管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
综上所述, 确定旋压封头是否可以等效替代标准椭圆封头, 关键要看压制后的封头是否满足标准椭圆封头的公差要求, 如满足则可以等效代用, 而不能以压制方法断然下结论。
2 有关规范关于碟形封头与椭回封头设计的规定管道切割机，相贯线切割机
(1) GB150 关于椭圆形头和碟形封头的计算依据管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
由于椭圆封头与圆筒连接部位的不连续, 必然会存在边缘应力, 因此其应力分析应同时考虑到无力矩的薄膜应力与有力矩的边缘应力, 并按其总应力进行分析。ASME在实践基础上近似地取椭圆封头形状系数K :
K= [2 + (Di/2h)^2] / 6
椭圆封头上最大总应力与相连圆筒周向应力的比, 并根据第一强度理论和弹性失效准则而导出了椭圆封头的内压设计公式, 我国规范《GB150-1998钢制压力容器》则直接来源于此。
对于碟形封头, 由于存在着两处不连续且相距很近, 因此难以进行精确的解析法计算。最先的公式来源是通过分析344个碟形封头的实例, 并借助于实验才测定出最大应力总是在转角区出现, 其值可近似地用球冠区薄膜应力的M 位来表示, 而M =3 +[Ri / r )^1/2] / 4,即取名为碟形封头的形状系数。文献《ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VII》这一结论制定了碟形封头的计算公式。我国规范文献《GB150-1998钢制压力容器》则是直接来源于文献《ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VII》。
但是,ASME关于碟形和椭圆封头的设计, 并未考虑由于弯曲应力的存在而导致可能出现的塑性变形, 以致实际应力会重新分布, 从而与按弹性准则得出的结果必将有一定差别。而且, 由于实际情况千差万别, 很多情况在设计公式中是无法反映出来的, 如制造的形状及尺寸偏差以及减薄量都将在封头上引起新的结构不连续, 筒体封头不等厚连接削边与不削边、筒体与封头的材料不同、存在筒体与封头连接焊缝余高等, 它们实际上都将影响边缘应力的大小和分布。这些问题也仅仅只能通过设计时引入安全系数和对结构及形状偏差加以限制来考虑,从而保证设备的安全性能。因此只要封头的形状没有超出规定的形状偏差范围, 也就能达到设计要求的安全性能。
(2) 对规范《JB4732-95钢制压力容器-分设计标准及释义》《ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VII》《AD压力容器规范(1988)》的理解与对比分析
为了能更进一步地说明近似椭圆封头与标准椭圆封头的真正承载能力, 下面就其它一些规范关于两者的设计方法分析如下。
① ASME及JB4732 -95等应力分析设计篇中的方法。在ASME VII-2中关于椭圆封头所需最小厚度的规定是: 对2 : 1 的椭圆封头按照碟形封头设计曲线图中标注有2 :1椭圆封头曲线求得, 而这标为2 : 1 的椭圆封头曲线也正好是r / Di=0.17的碟形封头曲线, 同时它又规定对于2 : 1 的椭圆封头R / Di=0.9。由此可见, 在文献《ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VII》中给出的标准椭圆封头的设计曲线正好是标准型近似椭圆封头的设计曲线, 因此按文献《ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VII》设计, 标准椭圆封头与标准碟形封头总是完全一样的。与此同时, 对于Di/2hi不等于2 的椭圆封头, 文献《ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VII》规定应按相当的碟形封头或按照附录分析设计。由此可见, 在文献《ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VII》中碟形封头与椭圆封头的设计实属同一种方法, 都是按碟形封头的曲线图求得, 因此对形状相近或相当的碟形与椭圆形封头, 其设计总是一样的; 由此可以认为, 无论采用什么方法加工成形封头, 只要其实际形状未超出标准椭圆封头的允许偏差, 其设计厚度总是与标准椭圆封头相同。
我国的JB4732与ASME VII-2的规定完全一样。另外, 日本的JISB8250的规定也基本来自于ASME VII-2, 内容也完全相同, 故此处不再赘述。
基于上述方法, 笔者曾按文献《JB4732-95钢制压力容器-分设计标准及释义》解释规范中用于确定标准中的碟形封头与椭圆封头计算用图的公式(1):
P/σ=(0.33+5.5r/Di)δ/Ri+28(1-2.2r/Di)δ/Ri)^2-0.0006 (1)
计算了P/Sm=0.01 的各种近似椭圆封头的计算壁厚δ值, 现列于表3中。从表3 的数据可以看出, 除了R=Di、r/Di=0.19这种近似椭圆封头比标准椭圆封头厚度增加了4.5%。其余碟形( 近似椭圆)封头的厚度比标准椭圆封头还薄。因此, 从文献《ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section VII》的这一分析方法和文献《GB150-1998钢制压力容器》的关于椭圆封头的允许形状偏差规定, 同材质、同厚度的上述几种近似椭圆封头应当是可以等效代替标准椭圆封头的。
② AD规范的规定。在文献《AD压力容器规范(1988)》中没有椭圆形封头这一类, 但它将碟形封头划为两大类, 即深碟形与浅碟形。深碟形规定其特征尺寸为: R =0.8Di , r=0.154Di,同时还规定其过渡区的壁厚按下式计算(单位按国际单位制)
δ=βPDo/4[σ]^t φ (2)
式中，Do—封头外径
经转化可得:
δ=βPDi / [4[σ]^t φ-P] (3)
式中β为系数, 查相应图表。
笔者查找相应图表可以得出如下结果:
当δe/Di∈[0.006~0.1]时, 则总是有β≤2, 将这一值代入(3) 式并化简可得:
δ≤δ ’=PDi/[’2[σ]^t φ-0.5P] (4)
而后面项正是GB150中标准椭圆封头的壁厚计算公式。就目前的生产实际情况看, 为满足封头的成形, 常常都有δe/DiD≥0.006,因此按文献《AD压力容器规范(1988)》设计的深碟形封头其壁厚总是小于或等于标准椭圆封头按文献《GB150-1998钢制压力容器》所确定的厚度。这与前面按ASME VII-2、JB4732-95 的计算结果一样。在通常情况下用深碟形封头来代替同规格、材料、板厚的标准椭圆封头也是可行的。
3 结论管道切割机，相贯线切割机
综上所述, 椭圆封头与碟形封头是可以按照同一方法进行设计的, 即它们在形状相当时, 完全可以等效相互替代, 而不必增加或减少其壁厚以达到保证其同等强度的目的。而所谓的形状相当, 就是按文献《GB150-1998钢制压力容器》规定的检查方法其偏差在相应的允许范围内, 只要符合此要求, 就可以看作是同一种封头。
本文作者:唐玉江(成都市苏坡锅炉厂) 管道切割机,便携式切割机,便携式数控切割机,相贯线切割机,数控相贯线切割机
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