新培训教程丨GB150内压锥壳设计思路

本文主要参考2019年8月出版的新《压力容器设计工程师培训教程》。

在锥壳的设计计算中，将其分为三部分考虑，包括：锥壳主体，锥壳大端端部，锥壳小端端部。

1. 锥壳（不包括大小端的加强段、折边）

锥壳的厚度取决于大端处的环向应力，设计时将其控制1.0倍的许用应力[σ]^t以下，见GB/T 150.3式5-8。

与圆筒类似，锥壳在压力作用下也有两个方向的薄膜应力，并且环向也为轴向的两倍，只不过锥壳两应力沿轴向变化，直径减小，应力水平降低。所以，不同直径处所需厚度是不同的。通常整个锥壳取同一厚度（大端的厚度），这是偏于安全的。对于大型设备，可将锥壳分为若干段，每段厚度取该段大端的厚度。

2.1 无折边锥壳大端

半顶角较大时，锥壳大端与圆筒连接处存在着较大的边界力，并引起较大的附加应力，叠加于锥壳大端、相接圆筒端部的薄膜应力之上。因此，锥壳大端、圆筒端部需要在局部应力衰减长度范围内加强（增加厚度）。

无折边锥壳大端处的加强段厚度，取决于方向为轴向的薄膜应力+弯曲应力，成分以弯曲应力为主，计算中将其控制在3.0倍的许用应力[σ]^t以下，见GB/T 150.3的式5-9，及图5-12。

需要指出的是，并不是所有无折边锥壳大端都需要加强，要不要加强可按GB/T 150.3图5-11判断，判断指标为计算压力与许用应力的比值、锥壳半顶角，并考虑焊缝系数。

2.2 无折边锥壳小端

半顶角较大时，锥壳小端与圆筒连接处存在着较大的环向局部薄膜应力，叠加于总体薄膜应力之上，同样需要在局部应力衰减长度范围内，对锥壳小端、圆筒端部进行加强。

计算中，将该处的环向薄膜应力按1.1倍的许用应力[σ]^t进行控制，见GB/T 150.3的式5-10，及图5-14。

同样，并不是所有无折边锥壳小端都需要加强，要不要加强可按GB/T 150.3图5-13判断，判断指标为计算压力与许用应力的比值、锥壳半顶角，并考虑焊缝系数。

2.3 无折边锥壳大、小端加强段厚度计算的另一种方法

对于除了内压还受其他轴向载荷的无折边锥壳，其端部加强段厚度还应按GB/T 150.3的5.6.4.4进行计算。这种方法是通过判断锥壳与圆筒连接处有效范围内的面积是否需要加强，来计算锥壳加强段的，可称之为“面积补强法”。

更具体地可参考“新培训教程”的P261。

3. 折边锥壳端部

若在锥壳大端设置圆弧折边作为过渡段，可以缓和锥壳与圆筒连接处的边缘应力，就可以不考虑大端的加强。不过，这样一来锥壳大端处就存在着两处不连续，包括：锥壳大端部折边过渡段相接处，折边过渡段与圆筒相接处。

GB/T 150.3认为在小端设圆弧过渡段效果不明显，带折边小端仍要按无折边计算。事实上，锥壳小端折边加工上比较困难，若锥壳半顶角小于45º，还是尽量采用无折边结构。

3.1 折边锥壳大端

折边锥壳大端厚度的确定，与前面的“1 锥壳”GB/T 150.3式5-8一样，只是将式5-8中的锥壳内直径改写为锥壳大端内直径，即变成GB/T 150.3的式5-19。

并且，折边锥壳大端厚度不应小于3.2小节中的折边锥壳大端过渡厚度，通常两者取相等。

3.2 折边锥壳大端的过渡段

过渡段可视为当量碟形封头的转角区，所以过渡段厚度的计算，就是在碟形封头厚度计算式（GB/T 150.3式5-4）的基础上引入一与当量半径有关的折算系数，即GB/T 150.3式5-18。并按1.0倍许用应力控制该处的最大应力（包括薄膜应力和弯曲应力）。

并且，折边锥壳大端过渡段厚度不应小于3.1小节中的折边锥壳大端厚度，通常两者取相等。

3.3 折边锥壳小端

GB/T 150.3认为，锥壳小端与圆筒连接处由局部环向薄膜应力起控制作用，小端圆弧过渡段对此局部应力的缓和作用不明显。因此，在GB/T 150.3中，带折边的锥壳小端厚度的计算步骤方法，都与“2.2 无折边锥壳小端”一样。

只是当锥壳半顶角大于45º时，锥壳与圆筒连接处的等效局部薄膜应力，改由平均环向拉应力和平均径向压应力计算得到。这一点体现在GB/T 150.3的图5-15。

而半顶角小于45º时，和无折一样，前述径向为经向压应力，这一点体现在GB/T 150.3的图5-14。