高压平盖的设计方法

高压平盖的设计方法高压平盖的设计方法西安长庆科技工程公司李疆英李永生内容摘要：阐述了高压平盖的两种设计方法，即ASME法和巴赫法的特点和不同，并且通过比较和分析，阐明了其各自的适用范围。关键词：高压平盖厚度弯曲应力Designmethodsofhighpressureflatcoverxi’anchangqingtechnologyengineeringCo.ltdLijiang-jingLiyong-shengAbstract:TwotypicalmethodsincludingASMEprocessandBachprocessaredescribedinthisarticle.Thecharacteristicsofthesetwomethodsandthedifferencesamongthemaremainlydiscussed.Bycomparingandanalyzing，thescopesofapplicationofthemareclarifiedrespectively.Keywords:highpressureflatcoverthicknessbendingstress符号说明δ——平盖的计算厚度，mmR——平盖的半径，mmp——计算压力，MPaσr——平盖中的径向应力，MPaσθ——平盖中的周向应力，MPaDG——平盖密封面的平均直径，mm[σ]——所选材料在设计温度下的许用应力，MPaK——平盖结构特点所决定的结构特征系数——开孔削弱系数di——平盖直截面上开孔直径和t——平盖的厚度,mmD——平盖的直径,mmQ1——内压作用在平盖上的介质压力Q2——作用在平盖上的垫圈反力m——垫片系数在高压小直径的容器设计中，我们经常采用平盖或者平底结构。无论平盖或平底，都是直接承受内压的零件，它的设计(包括选材)，直接决定密封的可靠高压平盖的设计方法性以及容器的安全。高压平盖的设计方法通常有两种：一种是对平盖的径向断面进行弯曲应力校核，同时对薄弱处的环向断面进行由弯曲应力和剪切应力构成的当量应力校核，即巴赫法；另一种根据平板理论，在既定条件下校核其最大弯曲应力，即ASME法。本文就这两种通过强度校核确定平盖厚度的设计方法进行分析。一．ASME应力分析法高压容器平盖一般厚度较厚，有时为了简化计算，可以把它近似的用薄板理论进行处理。尤其是在t与D相比，较小的情况下，这种方法是可行的。对于承受均布载荷的圆板，如下图（1）和图（2），则在薄板理论中已导出平盖的最大应力为：固支：在边缘（r＝R）(σr)max＝2234pR简支：在中心（r＝0）(σr)max=(σθ)max=223(3)8pR如取强度校核条件σmax≤[σ],对于一般的钢材取μ＝0.3则固支平板δ＝0.188[]GpD简支平板δ＝0.309[]GpD因此，在考虑了拼焊时的焊缝系数和壁厚附加量以后，平盖封头厚度的计算公式可写成一般式：δ＝DG[]KpC当在平封头上开孔时，一般采用整体加厚平封头进行加强，此时在计算平盖厚度式中引入开孔削弱系数δ＝DG[]KpC高压平盖的设计方法其中＝GGDdiD上述计算平盖厚度的方法即ASME应力分析法，也是GB150-98设计平盖的基本方法。式中K值查表即可，我们在设计平盖封头时，基本上应用这种方法。由于ASME应力法基于薄板理论，因而只适用于t/D≤1/5的场合，当容器内压力较高时，会出现t/D1/5的情况，应考虑选用巴赫法。二．巴赫法以平垫密封的平盖为例，见图（3），可按直径方向断面进行弯曲强度校核，并按最薄弱处的环向断面（图示a－a断面）进行弯曲和剪切合成应力的校核。将作用在半个平盖上的各力对平盖直径断面取矩。作用在平盖上的力有三个，其大小和作用点分别为：（1）内压引起2111224GQDp此力作用在以QG为直径的半个平盖面的形心B处，见图（2），根据几何关系，23GDf（2）垫片反力21122GQDbmp作用在以DG为直径的圆弧的形心A点，根据几何关系有GDe（2）螺栓力1211()22QQQ作用在直径Db的螺栓圆上，可认为集中作用在半个圆弧的形心C点，由几何关系，bDL高压平盖的设计方法于是，对平盖直径断面的弯矩为21()2MQlQeQf1212[()()]23bGbGQDDQDD由于平板厚度不完全一致，平板直径断面的抗弯截面模量，可以看成由二部分组成，在直径D1范围内，厚度为H;在D1~D0范围内，厚度为t.各部分再扣去相应的开孔面积，则抗弯截面模量W为:W=22101[()(2)]KDdiHDDdt所以，σm1=1212210123[()()]3[()(2)]bGbGmKQDDQDDMWDdiHDDdt校核条件为：σm1≤0.7[σ]然后对薄弱断面a-a上的当量应力进行校核：先计算作用于a-a断面上的弯矩21[()]2aabMQDDa－a断面的抗弯截面模量2216aaWDt所以，a－a断面的弯曲应力2223()aabmaaaMQDDWDta－a断面的剪切应力2aQDta－a环向断面的当量应力为2203maa此当量应力必须必要的强度校核条件0≤0.7[σ]。下面我们以实例说明巴赫法的应用。有一高压容器，内径为Di＝1000mm,工作压力为30MPa，工作温度低于150°C，采用双锥密封结构，顶盖尺寸如下图。材料为07MnMoNb，已知由垫片密封反力引起的载荷为Fp＝2.22X105N，试做强度校核。高压平盖的设计方法（1）先做直径断面弯曲应力的校核σm1=1212210123[()()]3[()(2)]bGbGmKQDDQDDMWDdiHDDdt其中Q124GDp24.75x106Ndi200＋60＋60320mm0.32m其它参数都为已知。所以，将上面各数值代入上式，σm1125.39MPa而0.7[σ]0.7x203142.1MPa故σm10.7[σ]即直径断面上的弯曲应力满足要求。（2）再做周向危险断面当量应力的校核2223()aabmaaaMQDDWDt其中D2为密封槽外直径，为1008mm。其它参数为已知，将各数值代入，求得ma68.75MPa而1222aQQQDtDt代入数值，a29.22MPa所以22220368.7529.22maa85.37MPa即00.7[]。安全上面对于平盖设计的两种方法的原理进行了简要的分析，并以平垫密封平盖高压平盖的设计方法为例，将巴赫法的计算方法作了清晰的说明，由于平板理论的应力分析法有其使用范围限制，属于薄平板的小挠度问题，所以掌握巴赫法是设计高压平盖所必须的。参考文献：1.GB150-98钢制压力容器。2.贺匡国.压力容器分析设计基础[M].北京：机械工业出版社，1995。3.压力容器安全技术监察规程（99版）4.丁伯民黄正林等编.高压容器.北京：化学工业出版社.2003。高压平盖的设计方法作者简介：李疆英，女，1969年8月生，1992年毕业于华东石油大学，现为西安长庆科技工程公司（长庆油田设计院）科技开发公司副经理，工程师，从事压力容器非标设备研究和开发工作。论文《CNG汽车与大气污染》发表在《天然气汽车》杂志2001年第一期上。E-Mail:[e-mail]邮编710021西安市未央区长庆兴隆园小区长庆大厦704电话[phone]