压力容器球形封头与筒体连接结构分析

摘  要: 球形封头是压力容器中常用的封头形式, 其壁厚与筒体壁厚相差较大, GB150- 1998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, 得出球形封头与筒体连接应遵循的基本原则。
关键词: 压力容器;球形封头; 筒体;壁厚; 连接结构

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筒体连接中, 球形封头厚度与筒体厚度相差最大,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GB150- 1998中也将筒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  筒体壁厚的计算
   我们知道筒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 c 产生轴向分力和径向分力。

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   (1)按圆筒轴向应力计算:  

   从上面推导可以看出, 筒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, 筒体壁厚按后者计算。
   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= D0 /Di 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23 % , 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Di + D 代替Di代入薄壁内径公式中, 则有:

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:
                                        

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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。比较球壳与筒体的壁厚计算公式可以看出, 球壳的计算厚度只有筒体壁厚的一半, 即使加上工艺增厚, 封头的厚度也要小于筒体壁厚很多。
式中: D ) 圆筒或封头的计算厚度;
       Pc ) 计算压力;
       [R]t) 设计温度下圆筒或封头的材料的许用应力;
       <) 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范围内逐渐将筒体切削至与球壳壁厚一致, 假设筒体壁厚 D刚好满足设计要求, 那么在距封头边线 L内的筒体厚度要小于壁厚D , 而筒体壁厚的计算公式是按圆筒径向应力计算得到的, 因此在这个范围内筒体的厚度不满足设计要求, 将会导致容器失效。如若保证L范围内D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。

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3  连接方式
   既然不能切削筒体, 那么我们可以加厚球壳。如图3所示, 采用加长筒体再削边。将筒体长度延长L, 相应地封头减少L , 在L范围内将筒体削边, 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。筒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, 筒体削边范围 L的受力状况应与球壳受力状况相同, 所以不能将其按筒体计算。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。

   另外, 在工程中, 当壁厚较小时, 可采用封头名义厚度与筒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。不论何种连接形式, 不能偏离这一基本原则。

本文作者：郜愿锋   李明   张旭

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