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1、 标 准 规 范 钢制压力容器用封头标准综述Review on the Standard of Head for Steel Pressure Vessel合肥通用机械研究所 王 冰 李春瑶 李景辰 武汉科技大学孙 瑛本文从编制思路、标准特点和与国外同类标准的差异以及各类封头内表面积、容积、质量计 算等方面对JB4746钢制压力容器用封头进行了介绍、分析与评价。关键词:钢制压力容器 封头 标准1 引言封头是压力容器重要的受压元件,其质量直接 关系到压力容器的安全性。自60年代开始,我国 陆续制定了一些封头标准,有的业已经过修订,如 按结构型式分类的JB57664碟形封头 、JB/T473795
2、椭圆形封头 、JB/ T47389590 折边 锥形封头 、JB/ T47399560 折边锥形封头和 按成形方式分类的JB/ T472994旋压封头 。这 些标准对我国压力容器用封头的设计、制造、检验 和验收,都起到过十分重要的作用,但也存在着分 类方法不统一、标准内容相互不协调等问题。1999 年5月2000年9月,根据全国压力容器标准化技 术委员会(容标委)标准制修订计划要求,容标委 制造分会组织合肥通用机械研究所、岳阳石油化工 总厂机械厂、齐鲁石油化工公司机械厂、宜兴北海 封头有限公司等单位共同制订了取代上述封头标准 的统一的压力容器用封头标准,这就是JB4746钢 制压力容器用封头
3、。2 编制思路如上所述,我国现有的封头标准,是按结构型 式(椭圆形、碟形、锥形)、成形方式(冲压、旋压)的不同,而分别制订的,这不仅造成不同标准 封头质量要求不完全一致的不合理现象,同时也给 标准封头的选用、标准的修订带来某些困难。其 次,以往的封头标准都是仅与G B150钢制压力容 器配套的,即只考虑了按规则设计的封头的制 造、检验与验收要求,而我国早在1995年就完成 了压力容器基础标准的双轨制(G B150与JB4732 钢制压力容器 分析设计标准) ,缺少与分析设 计相配套的封头标准,不能不说是我国压力容器标 准化工作的一大缺憾。再次,G B150属强制性标 准,而根据G B150编制
4、并与之配套的封头标准, 却是指导(推荐)性的,这显然是不合理的,也难 以保证封头这一重要受压元件的质量。因此,本标 准编制时主要遵循如下思路:(1)将不同结构型式、不同制造方法的封头,同时纳入本标准,并提出统一的制造、检验与验收 要求,这对全面提高各种封头的质量是必要的。(2)本标准既包容了按规则设计(与G B150配套)的封头,也包容了按分析设计(与JB4732配 套)的封头,在我国首次实现了对钢制压力容器用 封头的统一质量要求。(3)将本标准的正文(主要是封头的制造、检验与验收要求)作为强制性条文,而将本标准的附1录(主要是各类型封头的尺寸、内表面积、容积、 质量等)作为指导性内容,这既有
5、利于对影响产品 使用安全的各种质量要素统一要求,也给标准使用 者对不影响安全的各类因素有选择的空间,使他们 根据实际需要,既可按本标准选取,也可按相应的 设计标准,自行设计计算。3 本次修订内容要点311 标准名称 围绕是否包括有色金属制压力容器用封头内 容,即本标准是命名为“钢制压力容器用封头”还 是“压力容器用封头”,本标准修订之初行业上曾 有不同看法。日本JIS B 8247压力容器用封头 同时包括钢制及有色金属制压力容器用封头内容;ASME规范虽无专门的封头标准,但其压力容器标 准也同时适用于钢制及有色金属制压力容器;我国 的压力容器安全技术监察规程也包括关于有色 金属制压力容器的规定
6、。考虑到本标准为G B150 的配套零部件标准,并且我国的“铝制压力容器” 、“钛制压力容器”等标准正在制订中,因此本标准 的名称最终确定为“钢制压力容器用封头”,即不 包括铝、钛等有色金属制压力容器用封头。312 适用的成形方式范围 在成形方式方面,本标准适用于整板成形和先拼板后成形的封头。成形方法包括冷冲压、热冲 压、冷旋压、热旋压、冷卷、热卷等六种。 本标准不包括先分瓣(瓣片与顶圆板)成形后 组焊的封头,这是因为对瓣片与顶圆板的形状与尺 寸难以提出统一的质量要求,因而交由供需双方协 商解决。313 封头种类 本标准适用于长短轴之比为2的标准椭圆形封 头(考虑到小型压力容器可能是由无缝钢管
7、制造筒 体,因此包容了以外径为基准的标准椭圆形封头) ;球面内半径Ri等于封头内直径Di,过渡段转角内 半径r分别等于0115Di及011Di的碟形封头;过 渡段转角内半径r分别等于0115Di( Di为封头大 端内直径)、顶角分别为60 、90 、120 的折边锥形 封头;以及球面内半径等于与之相连的筒体内直径Di的球冠形封头。这是因为考虑到标准的容量,只选择了上述几种常用的型式参数,并将其尺寸、 内表面积、容积与质量分别列于本标准的提示性附 录,供大家参考选用。至于未列入本标准的其他参数的钢制压力容器用椭圆形、碟形、折边锥形、球 冠形封头,如前所述,其设计应分别符合G B150 或JB47
8、32,而制造、检验与验收除符合G B150或JB4732外,仍应遵守本标准的有关规定。 本标准不包括球形封头,因为:一则球形封头的直边高度难以在标准中统一规定;二则大型球形 封头多采用分瓣成形方式,其瓣片尺寸允差按G B150要求执行G B12337钢制球形储罐相应规 定。314 拼焊焊接接头位置及射线或超声检测的合格级别 本标准取消了对封头拼焊焊缝位置的限制,但 考虑到先拼焊后成形的椭圆形、碟形、球冠形封头 的拼接焊接接头,在封头成形过程中将发生较大的 弯曲变形,为了保证接头的质量,必须进行100%射线或超声检测,其合格级别应与容器的无损检测 合格级别一致,即合格级别应符合图样规定。这一 规
9、定与G B150和JB4732的有关要求是一致的。315 封头直边高度ASME规范关于封头直边高度的规定如下:对椭圆形封头,取2英寸和封头名义厚度之间 的大者;对碟形封头,取115英寸;对半球形封头 为0(2英寸合5014mm,115英寸合3811mm)。JIS B 8247则规定封头直边高度:取3倍的封 头名义厚度,但最小为20mm,最大不超过38mm。我国的JB576、JB4729及JB47374739等标 准,是按封头公称直径及厚度来确定直边高度,并 把直边高度分为25、40、50mm三个档次。这不仅 给封头的设计选用带来不便(如封头制造时,由于 考虑钢板厚度负偏差,可能使封头厚度大于图
10、样上标注的名义厚度,从而使直边高度跳档) ,而且直 边高度增加不仅使封头在制造过程中容易产生纵向 皱折等缺陷,而且会导致容器长度及容积的变化, 因此综合考虑多方面因素并结合国外标准的情况, 本标准规定直边高度仅和公称直径有关,而和封头厚度无关,且取消了50mm这一档次:当DN2000时取25mm;当DN 2000时取40mm。 如前所述,封头直边高度的大小,将影响封头 总高度(总深度)与容积,进而影响到容器的总长 度与容积,所以就合理性而言,直边高度应是由图样确定,因此本标准给出的直边高度仅是推荐性, 供设计者选用时参考。316 成形封头的最小厚度2CPVT 钢制压力容器用封头标准综述 Vol
11、18. No5 2001G B150要求成形封头的最小厚度不得小于名义 厚度减去钢板厚度负偏差,而JB4732则要求成形 封头最小厚度不得小于其设计厚度,显而易见,两 个基础标准对最小厚度的要求是不一致的。行业上对G B150的上述规定看法不一,许多人认为这会 在设计及制造时重复出现钢材厚度负偏差及圆整 量,因而造成材料的浪费,要求在编制本标准时不 管分析设计还是规则设计,均采用JB4732关于最 小厚度的规定。经分析,我们认为这一观点是合理 的,但考虑到本标准是与G B150、JB4732配套的零 部件标准,而G B150目前不可能做大的变动,因 此,只能根据封头设计标准的不同,分别按G B
12、150 和JB4732的有关规定,对成形封头的最小厚度提 出不同的限制。然而,目前部分设计图样标注了两种厚度,即 名义厚度和成品最小厚度,我们认为这是解决G B150上述矛盾的一种可行办法,并在本标准中加 以采用,即规定:当设计图样标注了封头成型后的 最小厚度,可按实测的最小厚度不小于图样标注的 最小厚度验收。317 封头端部切边交货 以往部分厂家制造的封头毛边交货,使封头尺 寸无法测量(因无测量基准) ,难以保证封头的总深度(总高度)和直边高度,故此,本标准规定成 形封头的端部应切边,不允许毛边交货。当封头生 产厂采用数控切割等先进精确的下料方法,能保证 封头端部的平整度与切边相当时,可不另
13、行切边。318 椭圆形、碟形、球冠形封头内表面的形 状公差 封头内表面的形状公差,目前国内外通用的方 法是用等曲率的样板检测。美国、日本的压力容器 标准规定用弦长等于封头内直径Di的样板测量, 样板与封头内表面间的最大间隙:外凸不得大于封 头内直径Di的1125% ,内凹不得大于封头内直径Di的01625%。我国标准G B150规定的样板弦长为封头内直径Di的0175、JB4732规定的样板弦长为 封头内直径Di的019,两标准均规定样板与封头 内表面间的最大间隙(不区分外凸和内凹)为封头 内直径Di的1125%。综合分析上述各标准并结合我国封头制造实际,本标准规定用弦长相当于封头 内直径的间
14、隙样板检测,样板与封头内表面间的最 大间隙,外凸不得大于封头内直径Di的1125% , 内凹不得大于封头内直径Di的01625%。所以规定样板的弦长与封头的内直径Di相当 而不是相等,是因为封头内直径Di和封头圆度都 存在偏差,如相等不仅使测量难以进行,而且无法 得出封头内凹的准确数据。样板弦长应略小于封头 内直径,也即二者之间必须存在一定间隙。间隙的 大小,由各制造厂根据生产经验自定。319 冷成形封头热处理 冷成形封头(冷成形的奥氏体不锈钢封头除 外)是否需要进行热处理以恢复因冷作硬化而损失 的力学性能,在行业上的看法是不一致的。 “压力 容器安全技术监察规程”要求冷旋压成形的封头应 进行
15、热处理。G B150、JB4732亦要求热处理,同时 又认为“当制造单位能确保冷成形的材料性能符合设计,使用要求时,不受此限”,有些专家则建议, 仿效ASME及JIS规范的办法,用冷成形封头的纤 维伸长率来决定是否进行热处理。 根据日本的经验,当冷成形封头采用纤维伸长 率判断是否需进行热处理时,需对钢材的纯净度、 力学性能提出附加要求,而国产压力容器用钢目前 尚难完全做到。在编制本标准的调研过程中发现, 用国产钢材制作的冷成形封头质量不一,有的能安 全使用,有的则在使用时,或成形后,甚至在冷成 形过程中都发生过母材与焊接接头开裂的现象。因 此在条件未成熟前,为安全考虑,本标准仍沿用G B150
16、及JB4732的规定,冷成形的椭圆形、碟形 封头应进行热处理,当制造单位能保证冷成形的材 料性能符合设计、使用要求时不受此限制。4 封头内表面积、容积、质量计算的说明411 以内径为基准的椭圆封头(EHA)(1)内表面积(mm2) :S=r r+h1C+ 2h(1) 式中: r=Di/2 h1=H-hC= ln r/ h1+( r/ h1)2- 1 /( r/ h1)2- 1 其它符号意义见标准正文表1。对标准椭圆封 头r/ h1= 2,于是C= 01760346。(2)容积(mm3) :V=r2(2h1/3 +h)(2)(3)质量(kg) :W= 7850(VW-V)10- 9(3)式中 VW为封头外壁容积,以h1+n代替h1、r+n代替r由公式(2)计算。412 以外径为基准的椭圆封头(EHB)3第18卷第5期
