高压容器顶盖封头厚度修正的研究

赵 栋，刘长海，孙雅丽

(1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)(2.中国石化扬子石油化工有限公司，江苏 南京 210048)

压力容器是日常生活和企业生产中常用的设备，也是石油、化工行业中非常重要的特种设备。承载压力高、设备容积大、可储存危险介质等是压力容器的主要特点[1]。其顶盖封头的设计是高压容器设计的关键[2]。常规设计中，为了保证装置的安全可靠，设计人员在参数计算时通常会取保守值，这样便会增加不必要的耗材和成本，使经济效益大幅下降。如今，工业设备朝着大型化方向发展，设备体积越大，制造就越困难、复杂，过程中出现的问题也就越多。如果装置设计不合理，便会使得制造成本增加[3]。随着设计压力和容器直径的增大，依据标准对顶盖封头厚度进行计算难免会出现设计不合理的问题。因此，开展高压容器顶盖封头厚度修正的研究，对化工行业以及压力容器大型化发展具有重要意义。

1 GB150中顶盖封头的设计计算与强度分析

在进行高压容器顶盖封头设计时，一般根据标准以及设计人员的经验进行计算设计，顶盖封头的厚度取值往往较大。实际工程上经常将其简化成小挠度薄板进行分析[4]，为了验证其修正计算后厚度的可靠性，会将计算结果与现场数据进行对比论证。小挠度薄板是指在仅有垂直于板面的载荷作用时，弯曲方向上的挠度w比板厚小的薄板。工程上对小挠度薄板有如下假设[5]：1)在板厚度方向上平分板的面为中性面，薄板在受到垂直于中性面的载荷作用后，只有弯曲变形，无伸长；2)变形前垂直于板中性面的直线板变形后仍为直线，且垂直于变形后的中性面，不会出现伸缩；3)薄板的材料是均匀的，忽略由于弯曲变形引起的中性面伸长、缩短及剪切变形。

根据圆平板理论，可以得到受内压圆平板中的最大应力σmax为：

(1)

式中：K为圆平板的结构特征系数，反映圆平板边缘的连接情况对平板最大应力的影响；pc为计算压力；DC为圆平板密封面的平均直径；δp为圆平板计算厚度。

压力容器顶盖封头与部件的连接方式众多，连接方式不同，顶盖封头的结构特征系数K也不一样。法兰螺栓连接是主要的连接方式。影响顶盖封头厚度的因素有设计温度t下的材料许用应力[σ]t与顶焊接接头系数φ，GB150中顶盖封头厚度的计算公式[6]为：

(2)

顶盖封头的强度校核可以通过计算其截面的当量应力完成，顶盖封头截面如图1所示，被截面y-y所切分的半圆顶盖封头上分别受到介质压力和垫片反力的影响。截面a-a处是顶盖封头的薄弱位置，在进行校核时需考虑a-a截面的当量应力。

图1 顶盖封头截面示意图

2 顶盖封头厚度修正设计

高压容器顶盖封头的所有结构参数均是按标准计算得到的，但在实际工程中往往会出现按照标准要求设计的主螺栓中心圆直径和顶盖封头厚度不满足现场安装要求的现象，因此必须对顶盖封头的相关结构参数进行适当调整。本文以GB150中顶盖封头厚度的理论计算结果为基础，对顶盖封头厚度的修正进行了研究分析。

通过分析周边固支与周边简支确定圆平板厚度，改变顶盖封头结构特征系数K的计算方法，保证了顶盖封头的实际周边约束。但是在顶盖封头厚度计算公式中，并未考虑到由于开孔对圆平板的削弱作用。实际工程应用中，高压容器所需的螺栓承载力越大，相应地需要的螺栓数量也会越多，螺纹直径也会越大，但这两者都会使螺栓孔的间距减小，对法兰强度的削弱作用就会增强，因此在高压容器顶盖封头厚度计算过程中，需要考虑螺栓孔对顶盖封头强度的削弱作用。本文将对影响顶盖封头强度的因素进行研究探讨，分析实际工况中螺栓孔对顶盖封头的削弱效果。

2.1 螺栓孔削弱作用分析

图2 顶盖封头等效模型

圆平板面积S0：

(3)

螺栓孔开孔面积S螺栓：

(4)

圆平板开孔后面积S实际：

(5)

顶盖封头螺栓孔削弱系数：

(6)

(7)

2.2 实际顶盖封头厚度计算

(8)

式中：A为双锥环高度。

在设计压力为32 MPa、容器直径为600～3 200 mm的条件下，将修正公式与标准公式计算得到的顶盖封头厚度进行对比，结果如图3所示。从图中可知，容器直径小于1 500 mm时，修正公式与标准公式的计算结果基本吻合，这是由于容器直径较小时，螺栓孔对顶盖封头强度的削弱作用较小，因此当容器直径较小时可以直接采用GB150中计算公式计算；直径大于1 500 mm时，修正后的顶盖封头厚度要大于标准公式计算的值，这是由于容器直径增大后，所需的螺栓载荷增加，选用的螺栓直径更大，螺栓孔对顶盖强度的削弱作用就会增强，因此修正后的顶盖封头厚度相比标准公式计算的顶盖封头厚度更加符合工程要求，修正后的顶盖封头a-a截面当量应力满足强度要求。

图3 修正前后顶盖封头厚度

3 设计实例

某工厂现有氨合成塔[9]，其设计参数、部件材料属性以及双锥环结构参数分别见表1～3。氨合成塔的部分结构示意图如4所示，其中双锥密封结构示意图如图5所示。

表1 氨合成塔设计参数

表2 部件材料属性

表3 双锥环相关结构参数

图4 氨合成塔结构示意图

图5 双锥环结构示意图

3.1 氨合成塔顶盖封头厚度计算

根据顶盖封头厚度的修正计算公式(8)计算氨合成塔顶盖封头厚度。

顶盖封头法兰螺栓孔削弱系数：

(9)

双锥环的密封面平均直径：

(10)

LG=[dB-(DC-D1)/2-D1]/2=[2 750-(2 405-2 332)/2-2 332]/2=190.75 (mm)

(11)

顶盖封头系数：

(12)

式中：A为双锥环高度，mm；B为双锥环厚度，mm；α为双锥环密封面锥角。

顶盖封头厚度为：

(13)

实际顶盖封头的厚度：

(14)

3.2 修正前、后计算数据与现场数据对比

将实际工厂氨合成塔与标准计算及修正后的顶盖封头厚度进行对比，见表4。主螺栓规格为M140×4。

表4 氨合成塔结构尺寸

由表4可知，修正后的顶盖封头厚度与实际数据仅有2%的误差，而由GB150中计算公式所得出的顶盖封头厚度与实际数据有较大出入，说明修正计算方法有一定的实际意义，验证了修正公式的可靠性。

4 结束语

本文基于弹性小挠度平板理论，研究了高压容器顶盖封头厚度的计算公式，以及主螺栓孔中心圆直径对顶盖封头强度的影响规律，发现实际数据与理论计算结果存在较大误差的主要原因是：用标准的计算公式进行顶盖封头厚度计算时未考虑主螺栓孔对顶盖封头强度的削弱作用。由此本文将主螺栓孔削弱系数引入顶盖封头厚度计算公式中，对标准计算方法进行补充修正，并且利用现场数据验证修正后计算公式的正确性。结果表明，经修正公式计算后的顶盖封头厚度更符合现场实际情况，顶盖封头厚度修正公式对大型高压容器的设计有一定的参考价值。