摘要:讨论压力容器设计时厚度的选取,以及厚度变化对强度的影响。叙述了当图样设计厚度处于相应材料厚度范围临界值时,材料许用应力随板厚变化而变化的问题。
Abstract: This paper discussed the selection of thickness in the design of pressure vessel, and the impact of different thicknesses to the strength, and described the material allowable stress varies with the thickness when the pattern designing thickness is in the appropriate thickness range.
关键词:压力容器;设计;厚度;强度;标准
Key words: pressure vessel;design;thickness;strength;standard
中图分类号:TH49文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)17-0116-01
0引言
目前,我国设计、制造压力容器的依据为GB150-1998,GB150中给出了压力容常用板材的不同温度下的许用应力,一般情况下,板厚增加,材料强度会提高,但随着板厚增加到一定限度时,强度会降低。如何按照GB150进行厚度的恰当选取,使之能满足强度要求,对压力容器设计具有重要意义。
GB150规定,计算厚度是指按各章公式计算得到的厚度;设计厚度是指计算厚度与腐蚀裕量之和;名义厚度指设计厚度加上钢板厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格厚度,即标注在图样上的厚度;有效厚度指名义厚度减去腐蚀裕量和钢板厚度负偏差。成型后最小厚度,一般指封头压形后会减薄,不同的制造工艺减薄量不同,所以封头都有成型后最小厚度。我们这里主要讨论名义厚度与最小厚度之间关系和选用。
GB150-1998中规定的材料的许用应力随钢板厚度的变化而发生变化,一般是板厚增加许用应力有所降低。特别是在封头设计、制造时尤其需要注意。
1举例
1.1例1一台储罐,其封头为标准椭圆形封头,材质16MnR,内径Di=2000mm,腐蚀裕度C2=1mm,焊接接头系数?准=1.0,设计压力p=2.5MPa,设计温度t=20℃,标准椭圆封头形状系数k=1,设计图样上封头名义厚度δn=16mm,若制造厂选用18mm厚度钢板压制封头,控制最大成型减薄量,为10%,即18×10%=1.8(包括钢板厚度负偏差),则:
1.1.1 选用18mm厚度钢板压制封头16MnR钢板厚度负偏差C1=0.25mm,封头成型后最小厚度δmin=18-1.8=16.2mm,名义厚度-负偏差役16-0.25=15.75mm,满足标准要求。
1.1.2 对图样封头厚度16mm进行核算:[σ]t=170MPa
δ===14.76mm
腐蚀裕量C2=1mm,封头设计厚度δd=14.76+1=15.76mm,钢板厚度负偏差0.25mm,δn=15.76+0.25+圆整量=16mm,厚度满足强度设计要求。
1.1.3 当板厚增加,强度反而不满足要求。对18mm厚度封头进行强度校核:[σ]t=163MPa
δ=
=
=15.40mm
腐蚀裕量C2=1mm,负偏差0.25mm,设计厚度δd=15.4+1=16.4mm,当用18mm厚度钢板压制封头时,封头成形后最小厚度为18-1.8=16.2mm,不能满足强度要求。
1.2 例2:某低温容器的封头为球形,材质为16MnDR,图样厚度(名义厚度)16mm,设计压力P=6.3 MPa,内径Di=1500mm,焊接接头系数?准=1.0,腐蚀裕度C2=1mm,制造时选用18mm钢板压制,成形减薄量控制为12%(包括厚度负偏差)。
1.2.1 选用18mm厚度钢板压制球形封头。18mm厚度16MnDR钢板厚度负偏差為0.25mm,封头压制后厚度δmin=18-18×12%=15.84mm,名义厚度-负偏差=16-0.25=15.75mm,满足标准要求。
1.2.2 对16mm球形封头进行强度校核,[σ]t=163MPa
δ=
=
=14.63mm
名义厚度=14.63+1+0.25+圆整=16mm,满足强度要求。
1.2.3 板厚增加,强度反而不满足要求。对18mm厚度封头进行强度校核:
δ=
=
=15.2mm
设计厚度δd=15.2+1=16.2mm,封头成形后的厚度15.84,不能满足强度要求。
2结束语
由以上事例说明,随着增加钢板厚度,强度有可能降低。因此有可能生产出符合标准字面要求,但却不符合强度要求的产品。除上述两种材质外,还有多种材料有此现象,如20R(Q245R),15MnNbR(Q370R)等。当容器壳体的名义厚度处于钢板许用应力变化的临界值时,设计人员应考虑材料许用应力随板厚变化面变化的问题,保证容器制造单位在增加板厚以后,封头成型后的最小厚度仍能满足设计强度要求。