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    封頭安全經濟合理的成形厚度

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    1 GB150 —1998 標準有關厚度的定義

      (1) 計算厚度δ是按各章公式計算得到的厚度。需要時 , 尚應計入其他載荷所需厚度。

      (2) 設計厚度δd是計算厚度δ與腐蝕裕量 C2 之和。

      (3) 名義厚度δn是設計厚度δd 加上鋼材厚度負偏差 C1 后向上圓整至鋼材標準規格的厚度。即標注在圖樣上的厚度。

      (4) 有效厚度δe是名義厚度δn 減去腐蝕裕量 C2 和鋼材厚度負偏差 C1 的厚度。

      (5) 各種厚度的關系如圖 1 所示。

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      (6) 投料厚度δs (即毛坯厚度)

      根據 GB150 —1998第 10章和各種厚度關系圖:

      δs = δ+ C1 + C2 +1(厚度第一次設計圓整值) + C3 (加工減薄量)+2 (厚度第二次制造圓整值) 。

      2  封頭設計計算案例

      容器內徑 Di = 4000mm 、計算壓力 Pc =014M Pa 、設計溫度 t = 50 ℃、封頭為標準橢圓形封頭、材料為 16MnR (設計溫度下材料許用應力為 170M Pa) 、鋼材負偏差不大于 0 25mm 且不超過名義厚度的 6 %、腐蝕裕量 C2 = 1mm 、封頭拼焊的焊接接頭系數 = 1 。求橢圓封頭的計算厚度、設計厚度和名義厚度。

      考慮鋼材標準規格厚度作了上浮 1mm 的厚度第一次設計圓整值1 = 1 , 故取δn= 8mm 。根據專業封頭制造廠技術資料 Di = 4000 、δn= 8 封頭的加工減薄量 C3= 1 5mm ,經厚度第二次圓整值2 = 0 5 。

      如要求封頭成形厚度不得小于名義厚度δn 減鋼板負偏差 C1 , 則投料厚度:

      δs = δn + C1 + C3 +2 = 8 + 0 + 1 5 + 0 5 =10mm , 而成形后的最小厚度為 85mm 。如采用封頭成形厚度不小于設計厚度δd( 應取δe 值) , 則投料厚度: δs = δd(δe )+ C3 + 21= 8mm , 而成形后的最小厚度為 615mm 、且大于有效厚度δe 、更大于設計厚度δd 和計算厚度δ。

      從以上可看出 , 兩種不同要求 , 使該封頭的投 料厚度有 2mm 之差 , 而重量相差有 300kg 之多。

      3 GB150 及有關封頭標準的厚度定義不甚合理

      GB150 及有關封頭標準的厚度定義不甚合理 ,

      主要體現在容器和封頭成形后的厚度要求上 , 對凸 形封頭和熱卷圓筒的成形厚度要求不得小于名義厚 度減鋼板負偏差 (δn - C1 ) , 由此可能導致設計和 制造兩次在設計厚度的基礎上增加厚度以保證成形 厚度。為此 , 曾經提出了最小成形厚度的概念:

      “熱卷圓筒或凸形封頭加工成形后需保證的厚度 ,

      其值不小于設計厚度”。也就是說設計者應在圖紙 上標注名義厚度和最小成形厚度 ( 即設計厚度δd ) , 這樣使得制造單位可根據制造工藝和原設計 的設計圓整量決定是否再加制造減薄量。這種厚度 的定義和標注是目前國際壓力容器界的流行方法 ,

      有其合理性 , 但在我國現行標準中有以下兩個問題 需解決。

      (1) 關于封頭標準中直邊高度隨厚度變化的問題

      封頭直邊高度是由封頭直徑和厚度控制的變量 , 確無必要且使封頭尺寸系列復雜化。J ISB8247 標準無論 1992 版還是最新的 1997 版 , 直邊高度為厚度的 3 倍 , 但最小不小于 20mm , 最大不超過 38mm , 較簡明。該問題可在修訂標準時予以解決。

      (2) 關于開孔補強計算

      開孔補強計算中所用為有效厚度δe (δn - C1- C2 ) , 將設計者取用的圓整量 1 用掉了 , 制造 上若再用設計圓整量 1 可能造成強度不足。

      開孔補強僅是局部的結構計算方法 , 最常用的 等面積法也只是經驗和保守的 , 故有可能在補強面 積中不考慮圓整量 , 而以設計厚度 (δ+ C2 ) 為基 礎進行補強計算。

      4  用設計厚度界定封頭最小成形厚度符合安全經濟的原則

      (1) 上述已說明封頭成形厚度不小于名義厚度減鋼板負偏 (δn - C1 ) 的規定可能導致設計和制造兩次在設計厚度 (δd ) 的基礎上增加厚度( 1 + 2 ) 造成不必要的浪費及解決的途徑。

      (2) 實際上 GB150 —89《標準釋義》早已說明“成形封頭的最小厚度應能滿足強度 (即計算厚度δ) 與使用壽命 (即腐蝕裕量 C2 ) 的要求”, 且是大多數專家的共識。

      (3) JB4732 —95《鋼制壓力容器 —分析設計標 準》111211 明確規定: “根據制造工藝條件 , 確定加工裕量 , 以確保成品各部位的實際厚度不小于該部位設計厚度”。

      (4) 新《容規》第 69 條第 2 款中“臨時吊耳和拉筋的墊板割除后留下的焊疤必須打磨平滑

    打磨后的厚度不應小于該部位的設計厚度 (δ+C2 ) ?!币簿褪钦f整個容器可用設計厚度 (δ+ C2 )來界定其各部位所需的最小安全厚度。

      (5) 為了保證封頭成形厚度不小于名義厚度減鋼板厚度負偏差 , 現行做法不得不在名義厚度δn加上減薄量 C3 (一般取 2mm) , 再圓整 2 至鋼板標準規格的厚度確定投料 ( 毛坯) 厚度δs 。這不僅浪費而且導致有時封頭直邊部因壓制后的增厚 ,

      (2) 母材上穿透性的裂紋是由多裂紋源的共同作用 , 由內壁啟裂 , 沿周向呈鋸齒狀擴展。金相觀察: 母材上的裂紋 , 無論是穿透或未穿透的微裂紋均呈沿晶擴展。

      (3) 裂紋的斷口表面凹凸不平并有臺階特征 ,屬脆性斷裂。電鏡還顯示 , 在一些晶粒的晶面上 ,有明顯的疲勞輝紋 , 局部存在二次裂紋。

      (4) 由于結構設計許用應力過高、變形補償不足以及焊接質量等原因導致試車過程中 , 在應力集中和附加彎曲應力高的焊接接頭區域開裂。

      多次開停車過程中溫度升降和壓力波動 , 使附加應力具有一定的交變載荷性質 , 裂紋斷口顯示出大應力低周疲勞的特征。

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