球冠形封头为压力容器中间封头的探讨

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封头是压力容器设备中不可缺少的重要部件。封头为压力容器上的端盖，是压力容器的-个主要承压部件，起密封作用。封头根据几何形状的不同，分为球形、椭圆形、碟形、球冠型、锥壳和平盖等几种，其中球形、椭圆形、碟形、球冠型封头统称为凸型封头。笔者在某设备制造厂见到几台塔器均采用了球冠形封头作为中间封头，将整个简体分隔为相互独立的受压室。该结构充分利用了空间，节约了平面占用面积，有利于工艺流程安排，结构简单，受力情况较好。本文就球冠形封头作为压力容器中间封头的设计进行探讨，提出若干采用球冠形封头应注意的问题。

l球冠形封头与筒体连接处的应力和变形球冠形封头与简体的连接，属于旋转鼻的边缘问题，其连接结构归于球面壳与圆柱壳的连接，主要注意其连接边缘区的应力和变形。因球面壳与圆柱壳为无公切线连接，圆柱壳作用于球面壳边缘的轴向力的分力和内压P共同作用，在球面壳的边缘产生了径向薄膜力N。 、径向弯曲应力，发生了弯曲变形。圆柱壳在轴向力和 内压P作用下产生薄膜应力NxP和轴向、环向变形。由于它们两者产生的变形不-致，变形协调的结果会产生边缘力P P。 和弯矩M 边缘力系。如图1(a)所示。

其他部位的应力仍以薄膜应力为主。球面壳和圆柱壳的连接部位受边缘力等作用，在原薄膜应力的基础上引起附加的径向、周向弯曲应力及局部薄膜应力。根据应力分析表明：它们的最大应力发生在连接边缘，且为径向应力，其中弯曲应力占相当的比重。由于这些应力多由变形协调的边缘力产生，属于二次应力，其总应力受-次加二次应力控制，控制值为3[6。图1(b)表示了R/t100(t为球面壳、圆柱壳厚度)时球面壳与圆柱壳的总应力分布曲线Ⅲ。

f a ) f，图l 球面壳与圆柱壳的连接作者简介：石亚超 (1982-)，男，河南平顶山人。硕士，工程师。主要从事化工设备安全研究。

-16- 论文广场 石油和化工设备 2013年第16卷从总应力分布曲线图可见，连接边缘处的总应力比其薄膜应力要大得多。由于边缘应力具有明显的衰减波特性，对于钢制圆柱壳 (u0-3)边缘应力的作用范围只局限于离开边缘的距离X，≤7r，∥：2.54'-Rt；同理，对于钢制球壳只局限于：≤万/ ：2.5√ 。

2设计中边缘问题的处理由于边缘应力具有局部性和自限性。因此在设计中可正确处理壳体的边缘问题。

(1)由于边缘应力具有局部性，在设计中可以在结构上只作局部处理。例如改变连接边缘的结构；边缘应力区局部加强；保证边缘焊接缝的质量；降低边缘区的残余应力；避免边缘区附加局部应力或应力集中，如开孔等。

(2)只要是塑性材料，即使局部某些点的应力超过材料屈服极限，邻近尚未屈服的弹性区能够抑制变形的发展，容器仍处于安定状态。故大多数由塑性好的材料制成的容器，如低碳钢、奥氏体不锈钢、铜、铝等压力容器，当受静载荷时，除结构上作某些局部处理外，-般并不对边缘应力作特殊考虑。

但是，某些情况则不然。例如 ：塑性较差的高强度钢制造的重要压力容器；低温下铁素体钢制造的重要压力容器；受疲劳载荷作用下的压力容器；受核辐射作用的压力容器。这些压力容器，如不注意控制边缘应力，则在边缘高应力区有可能导致脆性破坏或疲劳破坏。因此必须正确计算边缘应力并按应力分析设计规范作验算。

(3)由于边缘应力具有 自限性，它的危害性就不如薄膜应力。薄膜应力随着外力的增大而增大，是非自限的。当分清应力的性质以后，在设计中可对薄膜应力和边缘应力给予不同的限制，如对薄膜应力可用极限设计准则予以限制，而对于边缘应力可用安定性准则予以限制J。

3 GB150.3.2011《压力容器》对球冠形封头的规定球冠形封头作容器中两独立受压的中间封头，其具体的结构形式和厚度设计，在GBl50.3-201 l《压力容器》中有详细的规定。

上述球冠形封头的应力受边缘力的影响及其许用应力的调整，是通过系数O来体现的。上式中系数O根据封头结构 (与球冠形封头内半径有关)和受载情况 (凹、凸面侧受压情况)，由GB150.3-201 1《压力容器》中相应图表查得。

上式去掉O后即为内压圆筒厚度计算公式。-般情况下，系数Q大于1，因此，该封头壁厚大于其上下简体壁厚。而球冠形封头的计算方法系由解析法应力分析得出，分析中设定圆筒取与球冠等厚t。但计算厚度-般大于内压圆筒计算厚度，从经济性考虑，在球冠形封头与圆筒问设置-段与封头等厚的短节-加强段连接。

加强段最小长度根据圆筒端部局部应力的衰减范围确定。球冠形封头的厚度计算是径向弯曲应力起控制作用，对应的圆筒也是轴向弯曲应力起控制作用，故其加强段长度按圆柱壳在均布边缘力作用下的轴向弯曲应力的衰减长度考虑，最小长度取2 Io；5 3。

图2 球冠形封头结构形式4采用球冠形封头作中间封头时的考虑(1)封头与圆筒连接的T形接头必须采用全焊透结构。文献指出 沧州炼油厂1993年1月1日二催化装置的回炼油罐、蜡油罐发生爆炸事故事故后发现，中间球冠形封头与连接圆筒之间的焊缝有l2.5%存在严重缺陷。其中-段长500mm未焊透，相邻-段长350mm焊缝中有-根12mm的钢筋”[41。从该事故可看出，如果不注意焊缝质量，有可能酿成重大灾难。在设计时应选择合适的T形接头坡 口型式，明确对该焊缝的焊接及无损检测要求，保证焊接质量。该焊缝-般采用l00%磁粉检测，其结果应符合JB/T4730.5-2005《承压设备无损检测第四部分：磁粉检测》，I级合格。

(2)如果球冠形封头厚度大于圆筒厚度，第2期 石亚超等 球冠形封头为压力容器中间封头的探讨 - 7。

应严格按照GB150-2011的规定设计加强段，可明显减弱边缘应力的作用。在 《压力容器应力分布图谱》中，做出的在相同条件下球冠形封头与圆筒连接有、无加强段的应力分布图谱直观、明了地得出了设置加强段的必要性。

壤或办赫帮- 雏 - - - 辨l靛瞧办赫椒茏折边球瞪时燕与鼬侬连接妁应办稚前冉麓照 劈布 螗差薷腥勘静雄l光析边球萄匠耋蕾共姆龌补强的辩傩连接的应力，精图3(3)如果空间足够，可优化采用R /D 比值，使球冠形封头厚度不大于圆筒厚度，这样制造方便，可节约材料。

5结论通过以上分析，可得到如下结论： (1)在压力较高、结构尺寸较大时，采用球冠形封头比采用平盖优越。 (2)采用球冠形封头时，优化采用Ri/D 比值，使球冠形封头厚度不大于圆筒厚度，方便制造，并节省材料。 (3)采用球冠形封头，对连接的焊接接头型式须采用全焊透结构，并应有保证该焊接接头的措施。

虽然球冠形封头和简体连接处的边缘应力较大，有变形趋势，但只要严格按照标准规定进行(下转10页).10. 论文广场 石油和化工设备 2013年第16卷l上面是环的临界压力计算式，只要乘上l-就得圆柱的临界压力计算公式。

由此，得到结论：两半径相等的圆环或圆柱相贯，其-临界压力与整圆环或整圆柱相比下降得少，而另-下降得多。

3结论(1)当两壳半径不等时，较大壳内存在较大的切向压力，于是在相交处其对交点处的作用力可分解成向壳体内部的水平剪力及平衡较须径的壳内的切向压力的分力。同时，交点或半径较小的壳体对半径较大壳体的反作用力的合力正好用来平衡半径较大壳内的切向压力。显然，水平剪力的存在对较须径的壳体稳定是不利的，其在壳体内引起的弯矩使曲率半径变校(2)当两壳半径相等时，其中必有～壳担当了上述的半径较大的壳体的角色，基于这样的认识，将会得到这-结论，其中有-临界压力偏大，另-偏续-步地，在相同的稳定系数为3的条件下，其中有-壳设计厚度较小，另-较大。设计厚度较小者，易变形，其对交点处的作用力所起的作用相当于上述的半径较大的壳体的作用。这-点跟通常的按危险状况设计是大相径庭的，因为，半径相同的两圆柱壳担当上述的半径较大的壳体的角色的概率是相同的，往往统- 按临界压力较小者进行设计，而不顾及设计厚度较小者，其对交点处的作用力所起的作用只能相当于上述的半径较大的壳体的作用这-理论分析。对整体而言，设计厚度不同是合理的。

本文在撰写过程中曾多次得到南京工业大学沈士明老师的帮助，特此致谢。