加筋圆形平盖在压力容器与常压容器中的应用与比较

加筋圆形平盖在压力容器与常压容器中的应用与比较

孙义

江苏宝联气体有限公司   江苏苏州 215000

摘要：平盖封头具有结构简单、制造封边方便的特点，故广泛的用于大直径低压或者常压的容器及直径小于1.5m的圆形真空容器中。但在相同内压或外压及相同直径的条件下，平板盖理论厚度要比凸形封头大得多。因此，为了减少厚度，可采用加强筋来增强平板盖的刚度以提高其使用的能力。

关键词：圆形平盖封头 加筋 厚度计算

引言

在钢制容器中，封头是容器的主要受压元件之一，按形状分为凸形封头（椭圆形封头、蝶形封头、球冠封头和半球形封头）、平盖封头、锥形封头等。按照制造工艺难易程度顺序：球形封头、球冠封头、蝶形封头、椭圆形封头、锥形封头、平盖封头。如果按照受力效果优劣情况大致顺序分：球形封头、球冠封头、椭圆形封头、蝶形封头、锥形封头、平盖封头。所以平盖封头虽然受力效果差，但是极其容易制造。这也是平盖封头一直能够在化工容器中常常使用的原因。但是它也有局限性。只能用在低压或者常压容器中。这是因为随着压力的增加，它的计算厚度就需加大，致使生产成本提高，焊接工艺愈加困难。随着生产技术的发展，在平盖封头上加筋板既加强了封头的承载承压能力，又不影响其制造的方便、简洁。所以筋板圆形封头得到了广泛的应用。

1.平盖厚度计算公式的区别与联系

1 .1加筋圆形平盖的结构图

图1 常压容器中加筋圆形平盖形式 图2 压力容器中加筋圆形平盖形式

（其结构源自前苏联文献，再结合《钢制化工容器强度计算》HG/T20582-2011而得。）

1.2加筋圆形平盖在常压容器中的厚度计算

根据《钢制焊接常压容器》NB/T 47003.1-2009第6.4.3.2条计算式6-38：

式中：Dc—平盖计算直径，mm。

Kp—结构特征系数。在《钢制焊接常压容器》NB/T 47003.1-2009表6-4平盖结构图3中Kp=0.03

Pc—计算压力，MPa。

[σ]^t—设计温度下平盖材料许用应力，MPa。

φ—焊接系数。

将Kp=0.03带入上式，则式6-38变得 （式1.2-1）。

1.3加筋圆形平盖在《压力容器》中的厚度计算

根 据《压力容器》GB150.3-2011第5.9.5条计算加筋圆形平盖厚度公式如下：

（式1.3-1）

（式1.3-2）

（式1.3-3）

式中：d—当量直径，mm，取d₁,d₂中较大值。

Pc—计算压力，MPa。

[σ]^t—设计温度下平盖材料许用应力，MPa。

φ—焊接系数。

Dc—平盖计算直径，mm。

n—筋板数，通常n≥6，根据图2取n=6。

当n=6时，则d₁≈1/3 Dc，又因为d₁≈d₂，则根据式2.1-2可推出d≈1/3 Dc。则

式 1.2-1可变成： （式1.3-4）。

1.4两计算式的比较与联系

通过对式1.1-1与式1.2-4的比较，不难看出两个式子是相近的，如果工程上计算要求不是很精确的，那么他们是相等的。从严格的角度得出，常压容器计算要比压力容器就算出来的板材薄一些，要求宽松一些。

1 .5平盖厚度计算式的原理

当 圆形平板受载荷作用时，其受压处最大应力 ，其中K为结构特征系数，反应板边缘的连接情况对板最大应力的影响。当板边缘简支时，K=0.309，最大应力在板中心；当板周边固支时，K=0.188，最大应力在板周边。实际情况下，压力容器圆形平盖结构一般与筒体焊接或与法兰焊接后通过螺栓与圆筒连接，故理论的结构特征系数K取0.188≤K≤0.309。当圆形平盖的最大应力σmax不能超过[σ]^t，并考虑平板可能拼接从而对焊接接头φ提出了要求。那么得到的标准平盖厚度计算公式： ，

将 K=0.309带入式中，得《压力容器》 GB150.3-2011第5.9.5条式5-36的近似式： 。

2.焊接方面

压力容器为了保证结构强度，要求筋板与平盖之间采用双面焊，因为考虑《压力容器》GB150.3-2011第5.9.6条规定其平盖厚度值不小于6mm，故一般选择双面连续焊。而常压容器要求相对放宽，加筋板与平盖的连接可采用连续或者间断焊。当采用间断焊时，加强筋每侧间断焊接接头总长不小于加筋板长度的二分之一。

3.结构设计区别

《 压力容器》GB150.3-2011中采用的筋板的高厚比一般范围为5～8，且要求筋板与平盖组合截面抗弯模量W应满足 。这个是基于假设等扇面面积上承压的模型得出来的公式。因为平盖所承受的压力由辐射状筋板和宽度为L

₃的盖板所组成的组合梁承担，则每个组合梁承担的载荷为每个等面积的扇形承载的压力，进一步将均布在扇形面积上的压力等效为作用在扇形形心C上的力，大小为： 。该力由一端简支（B端），一端固支（A端）的组合梁承担，固支端弯矩 ，将M_A带入 简化后得到的 。具体详图可见压力《容器标准释义》图SY5-7。

《钢制焊接常压容器》NB/T47003.1-2009中加强筋采用扁钢时，其高厚比应不大于16；要求加强筋与平盖组合截面系数Z_S应不小于表6-4中规定计算出的所需截面系数Z_X，而加强筋与平盖组合截面包括加强筋中心两侧各10δp 范围。

4.总结

通过对加筋圆形平盖在压力、常压容器中的应用比较，发现其本质原理是一致的。二者的公式虽然不同，但是究其原因就是结构特征系数Kp不同而已，其他均一致。而且发现所有的平盖封头其实都是结构特征系数Kp的原因导致其厚度计算结果不一致。那么今后如何降低这个因素能使平盖封头得到更为广泛的运用将是设计思考的一个美好憧憬！

参考文献:

[1]寿比南，陈钢，郑津洋等. 压力容器 GB150.1～4-2011 中国标准出版社 2012.2

[2]寿比南，杨国义，徐锋等. 压力容器标准释义 GB150.1～4-2011 新华出版社 2012.3

[3]刘福录，张勇，严国华等. 钢制焊接常压容器及标准释义 新华出版社 2010.4

[4]杨振奎，叶国平，丁伯民等. 钢制化工容器强度计算规定 中国计划出版社 2011