压力容器封头（精选4篇）
压力容器封头 篇1
摘要：对比中外压力容器设计标准, GB150要求标准椭圆形封头有效厚度应不小于其内直径的0.15%, 以防止封头在内压下的弹性失稳。通过编制C++计算程序, 计算得到标准椭圆形封头计算厚度、计算压力以及材料许用应力之间的关系;并应用数据分析软件, 拟合得到了封头材料许用应力与特殊拐点处对应的计算压力的关系式, 提出了判定压力pg的概念, 为确定此类封头计算厚度提供了一种新的方法。
关键词：压力容器封头,计算厚度,拟合分析
1 引言
目前, 国内应用最广泛的压力容器标准主要有3种, 即我国的GB150、美国标准ASME Boiler and Pressure Vessel Code及欧盟标准EN13445。其中, 各标准对于受内压凸形封头壁厚的计算方法既有相似又有不同。
ASME Ⅷ-1和EN13445对薄壁成型封头采用定量计算的方法, 通过具体的公式确定其最小壁厚[1,2]。其中, EN13445定义了碟形封头详细设计参数, 对碟形封头各部位壁厚 (包括球冠部分、过渡圆角以及直边连接段) 都做了量化规定[3]。确定封头计算厚度时, 需要分别用三组公式计算出球冠部分厚度、过渡圆角部分厚度和过渡圆角满足失稳条件的厚度, 封头的计算厚度取其中的最大值, 这样既满足了设计强度要求, 又满足了稳定性要求。标准中还做出了标准椭圆形封头与球冠部分半径R=0.9Di、转角过渡内半径r=0.17Di的碟形封头可以互相当量替代的规定, 其中Di为封头的内直径[2]。 GB150中没有给出类似的计算公式防止封头在内压下的弹性失稳破坏, 而是限制封头的最小壁厚[4], 直接规定:标准椭圆形封头的有效壁厚不应小于其内直径的0.15%, 其他椭圆形封头的有效壁厚不小于其内直径的0.30%。实际应用时, 需计算出封头有效厚度, 与内直径对比后才能最终确定封头有效厚度。本文通过拟合公式, 提出了一种由封头材料的许用应力与计算压力确定封头有效厚度是否按其内直径的0.15%取值的方法。
2 封头计算压力与计算厚度关系计算
参考GB150中标准椭圆形封头厚度计算公式, 即公式 (1) , 编写了计算程序, 得出不同许用应力、不同内直径的标准椭圆形封头的计算压力与计算厚度的关系, 表1为部分计算结果。
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在程序编写时, 取焊接系数为1.0。标准椭圆形封头的内直径按照GB/T 9019[5]取全部系列计算。对比GB150有关计算厚度与有效厚度的定义, 考虑两者在设计计算时差值不大以及编程的简化, 使用计算厚度替代有效厚度。
部分C++计算程序如下:
分析计算结果, 要确定GB150中标准椭圆形封头计算厚度的3个参数 (即许用应力、封头内直径及计算压力) 之间的关系。当材料许用应力等于137MPa时, 部分计算结果见表1, 其结果可绘制如图1所示。当材料许用应力等于114MPa时可绘制如图2所示。比较计算数据及图1、2, 标准椭圆形封头计算厚度按照其内直径的0.15%计算时存在一个拐点, 在计算压力未超过某一定值前, 封头计算厚度不变。且不同公称直径的标准椭圆形封头在相同的许用应力下, 该计算压力处的拐点相同, 该拐点处的计算压力可称为判定压力Pg。因此可以判定标准椭圆形封头有效厚度是否需要按照其内直径的0.15%确定与其内直径的大小无关, 与材料的许用应力及实际的计算压力有关。材料许用应力与拐点处的计算压力即判定压力Pg应该存在一个线性关系。
3 许用应力与判定压力关系的数值拟合
应用专业绘图和数据分析软件对计算数据通过公式 (2) 的拟合分析, 可以得到封头材料的许用应力与判定压力Pg有如图3所示的线性关系, 拟合后如公式 (3) 所示。
y=Intercept+B1x+B2x2 (2)
Pg=-0.00673+0.00301[σ]t-1.53553×10-8[σ]t2 (3)
式中:Intercept为截距常数;B1, B2为多项式系数;[σ]t为材料的许用应力, MPa;pg为拐点处的判定压力, MPa。
分析发现, 公式 (3) 中截距常数与二次方项的系数较小, 可以忽略, 因此可简化为:
Pg=0.00301[σ]t (4)
4 结论
对比GB150与EN13445两种压力容器规范关于标准椭圆形封头厚度的计算方法, 指出了两种方法的异同与优劣。通过编制C++程序, 对不同许用应力、不同内直径的标准椭圆形封头的计算压力与计算厚度的对比, 发现参照GB150计算标准椭圆形封头的计算厚度时, 材料的许用应力[σ]t与某一个特定拐点处的计算压力即判定压力Pg的关系, 如图3所示。
设计计算时, 只需要知道封头材料的许用应力与计算压力, 利用公式 (4) 计算出判定压力pg, 当计算压力pc小于等于判定压力pg时, 则该封头的有效厚度应按照标准椭圆形封头内直径的0.15%计算。这样就为这类特定参数的标准椭圆形封头的有效厚度的取值提供了一种判断与计算的方法。
参考文献
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压力容器的封头和接管设计探讨 篇2
1 压力容器的封头设计
压力容器的设计要以标准规范为依据, 进行设计计算。在制造、检验、验收环节加强监管, 从而降低问题发生率。以设计标准GB150、NB/T47003.1为例, 其主要是一种出于经济考虑而诞生的设计标准, 过程中较为关键的是确定设计载荷、选用设计公式、曲线或图表, 取材料安全应力, 最终得出容器基本厚度, 然后根据相关构造细则与制造标准进行设计、制造。
关于压力容器的封头设计, 它自身的厚度是设计的重要部分。要计算它不同的厚度, 只有这样才能在设计过程中控制最小成形厚度。材料厚度和成品最小厚度是制造过程中控制的主要厚度, 只要封头的成品厚度不小于设计规定的最小厚度即可。有些设计单位在压力容器设计过程中, 在设计图纸上只标注名义厚度, 最小成形厚度没有注明。名义厚度就被封头制造厂当做最小成形厚度来考虑, 因此就要增加制造封头的投料厚度, 封头的成本也因此增加, 设计也不经济合理。关于封头厚度, 在新的标准中已很明确, 将设计、制造过程中各种厚度的关系分析的十分清楚。所以合理的设计出压力容器封头壁厚, 可以达到即经济又安全可靠的效果。
1.1 GB/T 25198-2010封头厚度要求
壁厚定义:封头材料厚度, 指制作封头时材料的投料厚度, 即它的规格厚度也是材料质量证明书中的厚度。
成形要求:根据相关规定, 毛坯厚度应考虑工艺减薄量, 以保证最小成形厚度不小于封头的设计厚度。
设计过程中的厚度有:厚度附加量C=C1+C2;名义厚度δn=δd+C1+Δ1=δ+C1+C2+Δ1;设计厚度δd=δ+C2有效厚度δe=δn–C1-C2=δ+Δ1;最小成形厚度δMIN=δn-C1=δ+C2+Δ1。
成品最小厚度δ'min=δN-C1+Δ2=δ+C2+Δ1+Δ2;封头材料厚度δs=δn+Δ2+C3=δ+C1+C2+Δ1+Δ2+C3。
由以上公式可看出, 为了满足封头成品最小厚度不小于设计要求, 一些封头制造厂就在名义厚度的基础上加上加工减薄量, 并将钢板的厚度进行圆整。即材料厚度。引入的加工减薄量C3在设计和制作过程中是可忽略不计的。但在强度计算中, 两次圆整厚度Δ1、Δ2是没有计入的。如果计入开孔补强, 则是在Δ1有开孔时, 如果没有开孔则成为多余的金属材料, 材料浪费的现象也不可避免。板厚的增加产生的跳荡现象也是因此增加了Δ1、Δ2这些在设计和经济上都是不合理的。所以, 因充分考虑最小成形厚度要求以及封头各厚度的关系, 并结合制造工艺确定封头成形最小厚度在设计和制作过程中是十分有必要的。
1.2 封头厚度的合理设计
封头厚度的设计, 应重点观察它自身的合理性、以经济、安全为前提, 以成形最小厚度为基准, 这样制造封头材料厚度才可以确定。压力容器在实际的设计过程中, 它的计算一般采用的都是SW6计算软件。计算结果可将各种厚度都准确有效的算出, 如有效厚度、名义厚度、弹性失稳确定的有效厚度, 还可根据名义厚度的计算公式:δn=δd+C1+Δ1=δ+C1+C2+Δ1;计算出Δ1设计确定最小成形厚度也要根据封头上是否有开孔。尤其要注意的是, 如果在计算开孔补强, 所输入的厚度不能是名义厚度, 而是最小成形厚度。封头最小成形厚度确定了, 就可根据封头成形厚度减薄率以及制造厂实际工艺减薄率来进行圆整。制造封头的材料厚度从名义厚度确定来说, 将会减薄其厚度。封头最小成形厚度和材料厚度经过合理设计, 制作出来的封头也是合理、经济以及安全的, 强度和使用寿命也会有所保证。国家近几年不断号召提倡的节能降耗要求也可满足, 材料的经济合理使用得到了有效保证, 也降低了制造厂的成本, 实为双赢。
2 压力容器的接管设计
在20世纪50年代开始, 压力容器接管强度的重要性就已受到了广泛的重视, 成为特种设备行业包括压力容器界主要研究的对象之一。随着不断深入的有限元方法, 不管是国内还是国外, 都开始寻求可用于工程设计的经验公式。由于问题涉及的点较多, 仍需要大量的探讨和实践才能得到可靠的方法。以下所采用的ANSYS软件, 就是详细分析接管部位的受力情况以及应力强度的可靠性, 并结合GB150-98常规设计方法来进行举例分析。
2.1 GB150-98常规设计
根据GB150-98相关规定, 面积补强时的基本原则, 开孔削弱的金属面积会小于或等于有效补强的金属面积。内径Di≤1500mm时是圆筒上开孔的限制, 开孔最大直径为, 且d≤520mm, 当其内径Di>1500mm时, 是开孔最大直径, 且d≤1000mm。圆筒的受内压, 所需的补强面积A为:A=d+2et (1-fr)
在这个公式中:A——开孔削弱所需要的补强面积;d——开孔直径, mm;——壳体开孔处的计算厚度;et——接管有效厚度;fr——强度消弱系数;如果想要开孔后不需要另行补强, 就要把有效补强的金属面积大于A, 否则需要进行面积补强。如果条件允许, 补强圈用厚薄接管来代替则更佳。
2.2 JB 4732-95分析设计方法
除了GB150-98常规设计, 还可以采用JB 4732-95分析设计, 根据安定性分析、极限分析以及疲劳分析来确定各应力强度许用值。理想弹塑性材料是极限分析假定结构所使用的材料。结果进入主体或局部区域在某一荷载下全部屈服后, 变形的增大程度将会无限制, 结构也达到了某种极限程度, 塑性失效的极限状态则是这时的实况状态。采用1.5倍的安全系数是完全按照弹性应力分布, 屈服点Osi是得到弯曲应力的上限。在这个过程中, 如果材料并非为理想弹塑性材料, 那么在屈服后还会有应变强化能力, 但这种设计方法是较为传统的, 这种设计方法的优势就是增加了一定的安全性能。
通过分析上述两组设计方法得知, 接管部位受力状况利用ANSYS软件分析, 对接管部位应力强度的可靠性对利用最弱环模型来评价, 由分析结果可知, 如果需要补强接管部位, 使可靠度增加不管是补强圈补强, 还是采用厚壁接管补强, 都可得到增加可靠度的目的。
3 结论
综上所述, 关于压力容器封头和接管的设计应该以安全为前提, 但安全不代表着在设计过程中就采用保守的思维。采用科学方法来进行设计和制造, 二者也应紧密结合, 对其合理设计也要遵循安全和经济的原则, 降低加工的难度, 保证容器的工作质量, 具有提高设计效率和节省加工材料的实用价值, 在制造业当中也具有现实意义, 值得推广和应用。
参考文献
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压力容器封头 篇3
随着社会的发展,许许多多的液体、气体都需要用到容器来储存运输,容器在日常生活中也应用的越来越广泛,而容器所能承受的压力大小它的封头起着至关重要的作用。
封头是压力容器必不可少的一部分,封头的种类很多,由于封头的加工不能一次压制成形,所以本产品是拼焊而成的。1060铝有良好的延伸率以及抗拉强度,完全能够满足常规的加工要求(冲压,拉伸)成型性高。可气焊、氢原子焊和接触焊 , 不易钎焊 ;易承受各种压力加工和引伸、弯曲。
1 铝 1060 焊接性分析
1.1 材料焊接性分析
铝1060的理化性能及机械性能与钢有很大的差别,易氧化、导热快、热容量和线膨胀系数大、熔点低、高温强度小、固液态转变时无明显的颜色变化等特性。其焊接过程容易产生如下缺陷 :
1.1.1 易氧化
铝1060和氧的亲和能力很大,在常温下铝容易同氧化合,在铝的表面生成致密的三氧化二铝薄膜,能防止金属的继续氧化,对自然防腐蚀有利,但是给焊接带来了困难。
1.1.2 容易产生气孔
由于铝1060中不含碳,不存在生成CO气孔的条件,而氮又不溶于铝,因此一般认为铝1060产生气孔的主要原因是氢。在铝的熔池凝固过程中析出氢一方面形成新的微小的小气泡,另一方面将扩展到已形成的微小气泡中,并使它发展长大。
1.1.3 焊接热裂纹
铝1060非热处强化合金在杂质含量超过规定范围,或刚性很大的不利条件下会产生裂纹。铝1060产生热裂纹的原因与它的成分和焊接应力有关。由于铝1060的线膨胀系数比铁将近大一倍,而其凝固时收缩率又比铁大两倍,因此铝焊件的焊接应力大。
1.2 结构焊接性分析
(1)纯铝容器在空气和氧化性水溶液介质中,其表面以产生致密的氧化膜和钝化膜它在一些氧化性介质中具有良好的耐蚀性。
(2)纯铝是面心立方晶格,没有同素异构体,低温下不存在像铁素体钢那样的脆性转变,铝容器的最低设计温度可达 -269℃。纯铝常作为制作低温容器的材料,而且均不要求进行冲击韧性检验。
(3) 纯铝的规定非比例伸长应力很低,在小的载荷下即会产生塑性变形。铝容器在使用与运输时,应注意防止碰撞剧烈振动发生塑性变形。
2 焊接工艺
2.1 焊接材料分析
铝1060焊接时可 以选用焊 条E1100( 型号L109)。该焊条的成分与母材相同,且强度与母材相近,价格也比较便宜,所以选择焊条L109作为焊材。
L109(型号E1100)是以纯铝为焊芯、药皮为盐基型的铝焊条。用于焊接铝板、纯铝容器及要求不高的铝合金构件。
2.2 焊前准备
2.2.1 设备的选取
由于铝的热导率比较大,所以焊接时必须要有足够的热输入能量,并要保证电弧要足够的稳定。所以为了稳定电弧,达到阴极破碎的作用,提高焊接质量,因此焊接采用直流反接电源。
2.2.2 备料
该产品采用铝1060(L2)工业纯铝。由于封头的板材比较厚大所以采用数控等离子切割下料,不宜采用气割。采用数控等离子切割,速度比气割快,精度高、质量好,坡口不易挂渣(下料尺寸见备料工艺卡)。划线、号料时应考虑焊接收缩变形量及零件加工余量,且号料和划线的尺寸公差应符合铝制压力容器制造标准。
2.2.3 清理
封头坡口的化学清洗的工艺参数见表3
3 焊接工艺要点
因封头为厚大铝件,为使坡口附近达到所需的焊接温度,以防变形和减少气孔等缺陷,焊前用两把大号焊炬(氧 - 乙炔焰)进行预热,温度为250 ~ 350℃左右。由于铝在高温时不变色,预热时可在铝件上划红色粉笔线,当线条颜色与铝相近时,即可开始焊接(点固焊时也需要预热)。
焊接时,为保证焊缝不出夹渣、未焊透等缺陷,在焊完外侧所有焊缝的1、2层后,将封头翻转,用薄砂轮清理所有的焊根,然后焊接3、4、5各层,最后翻转焊接第6层。每一层,必须将药皮清除掉,并用电动钢丝轮打,磨干净为防止结构较大的变形,内外侧焊缝可采用对称焊接,如图1所示。
焊接时,封底焊焊 条不作摆 动,填充焊和盖面焊应作一定的摆动,以增加容宽。铝焊条极易受潮,所以使用前应在100 ~ 150℃烘干后再使用。否则在焊接中,因水分的蒸发而使焊缝产生气孔。焊接工艺参数如表4所示 :
4 结论
压力容器封头 篇4
在世界范围内, ANSYS已经成为化工设备行业乃至整个机械行业分析软件的主流。尤其是近十年来, ANSYS软件在化工设备行业发挥着巨大作用, 成为该行业分析设计事实上的标准。ANSYS也为推动CAE分析设计在该领域的普及做出了卓有成效的工作, 为提高我国化工设备设计, 特别是压力容器的分析设计水平做出了巨大贡献。
1 问题描述
现已知压力容器设计压力p=16MPa (H) , 设计温度T=200℃, 材料为16Mn R。筒体内径R1=770mm, 壁厚t1=95mm;封头内径R2=780mm, 厚度t2=50mm。筒体双边削薄长度l=90mm。试对筒体与封头连接区进行应力分析。
2 有限元模型
由于主要是分析筒体与封头过渡区的应力分布, 故可以忽略封头上的其他结构, 如开孔接管, 建立图1所示有限元分析力学模型, 由于简体长度远大于边缘的衰减长度, 故可取简体长度L=1000mm。
2.1 几何模型
根据压力容器的已知各基本尺寸, 利用Arbitrary按照一定的先后顺序, 生成点、线、面, 再由面建立生成的几何模型, 如图2所示:
2.2 有限元模型
利用ANSYS按照轴对称模型, 自上而下建立压力容器剖面区域的有限元模型, 如图3所示:
2.3 边界条件
压力容器在载荷的作用下, 各个部分都会发生弹性变形和位移, 但又由于压力容器的结构为轴对称结构, 故底部的中心线几乎没有任何变化 (如图4) , 并对其进行全部自由度施加约束, 使其接近真实状况。
3 变形及应力分析
3.1 整体变形
压力容器在载荷的作用下, 各个部分都会发生弹性变形和位移, 向外侧位移了0.5mm, 变形前后示例如图五, 由查表知, 其位移变形量在安全范围之内。
3.2 第一主应力分析
压力容器过渡段所受的第二主应力如图六所示, 此力是由于内压作用使圆筒均匀向外膨胀, 在圆周的切线方向产生的拉应力, 其大小为:
则此压力容器在环向方向上是安全的。
3.3 第二主应力分析
压力容器过渡段所受的第二主应力如图七所示, 此力是由于内压作用于封头上而产生的轴向拉应力, 其大小为:
则此压力容器在轴向方向上是安全的。
3.4 第三主应力分析
压力容器过渡段所受的第三主应力如图8所示, 又第三主应力为容器壁沿壁厚方向的径向应力, 此径向应力相对于环向应力和轴向应力小得多, 故不考虑此应力。
4 结束语
基于ANSYS软件进行了压力容器过渡段的三维建模, 利用此软件实现了压力容器过渡段应力分布的定性分析, 为设计者提供了更为安全的设计依据, 可以较容易地获得压力容器受力后的应力分布和变形情况, 为压力容器的设计和安全校核提供了比较精确的具体数值参考, 克服了传统设计中对于复杂结构的设计与校核的困难, 填补了只依靠强度设计准则来满足设计要求的不足, 保证了压力容器的强度和安全。
参考文献
[1]胡于进, 王璋奇.有限元分析及应用[M].清华大学出版社, 2009.
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