管帽-封头
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由于凸形封头具有制造简便、重量轻等优点，带 凸形封头法兰广泛应用于端部可拆连结结构中． 按GBl50一1998《钢制压力容器》(以下简称 GBl50)规定：封头和法兰单独进行设计时，不考虑 两者间的相互作用．文献[1]计算结果表明：如按照 GBl50进行设计，有可能导致法兰的厚度偏大，封 头的厚度偏小，使得封头与法兰的连接区域由于刚 度相差过大，造成应力状态不甚理想．并且，由于法 兰往往采用锻件，过大的厚度裕量将使得产品成本 增加较多．特别是对于一些非标法兰和凸形封头的 联接结构，由于GBl50对其设计没有明确的规定， 使得设计人员遇到了很多问题[2]．目前较为常用的 设计方法是在取较大安全裕量的前提下，将法兰和 封头当作标准件单独进行设计．这种设计方法没有 完善的理论依据，可能造成法兰和封头的安全裕量 过大，也可能造成结构强度不能满足工作需要．
对带凸形封头的非标平焊法兰进行整体 有限元分析，采用分析设计中应力分类的方法进行． 并且，与按GBl50将带凸形封头的非标法兰与封头 单独设计的方法进行比较，研究凸形封头和法兰的 强度是否满足工作需要；对于刚度相差较大的凸形 封头和法兰的联接区域，研究封头和法兰厚度的变 化对其局部应力状态的影响及如何改善其应力状 态；如何对封头和法兰进行整体优化设计，降低凸形 封头与法兰的连接区域的应力强度，提高经济效益．
图1是带快开门的喷气燃料过滤分离器的密封 装置结构示意图，主要由标准椭圆形封头、上法兰、 下法兰和筒体四部分组成．封头与上法兰采用焊接 结构，上、下法兰通过螺杆和销钉连接，内压产生的 轴向力由螺杆承担．下法兰上有密封槽，密封槽内放 置()形密封圈，通过螺杆的预紧力进行密封．
带椭圆形封头的齿啮式快开容器的工作周期主 要由加压、保压和卸压三个过程组成．由于工作周期 较长，在使用寿命内不考虑疲劳问题．保压阶段压力 基本稳定，加、卸载速度不快，不需要考虑加载速率 的影响．上法兰和简体采用特殊的螺栓联接结构，上 法兰不是严格的轴对称结构．但齿沿圆周方向均匀 间断分布，且齿数为偶数，因而可以处理为广义轴对 称问题．为减少计算工作量，以纵向截取的螺栓孑L中 面及相邻两螺栓孔的中面所包含的实体(即沿圆周 方向取结构的1／56)作为研究对象。
椭圆形封头、上法兰内表面及下端面上密封圈 中径以内的区域，受均布内压的作用．
按分析设计的方法，通过对一系列非标平焊法兰与凸形封头的联接结构进行分析校核发现：凸形 封头上的A—A线上的应力强度主要受到封头厚度 影响，非标平焊法兰上C—C线的应力强度也主要受 法兰厚度影响，并且按常规设计的非标平焊法兰与 凸形封头的联接结构上A—A线、C—C线上的应力均 能满足强度要求．但是位于凸形封头与非标法兰联 接处的B—B线上的应力受法兰厚度与凸形封头厚 度的联合影响，如果在设计时未考虑凸形封头与平 焊法兰的相互作用，易于导致封头与法兰的刚度相 差过大，使得B—B线上应力强度不能满足应力评定 的要求．为此，本文选择DN900 mm，PN2．5 MPa的 非标平焊法兰与凸形封头的联接结构进行一系列的 试算，分析B—B线上的应力受法兰厚度与凸形封头 厚度变化影响的情况．图5为当凸形封头厚度固定 不变时(f一10 mm)，B—B线上的一次局部薄膜应力 (P。)与一次应力和二次应力强度之和(P。+Q)随着 法兰厚度变化的情况；图6为当法兰厚度固定不变 时(f一76 mm)，B—B线上的一次局部薄膜应力 (P。，)与一次应力和二次应力强度之和(P。+Q)随着 封头厚度变化的情况．
(1)按常规设计方法将凸形封头与非标平焊法兰单独进行设计，其组合结构各应力评定线上的应 力均能满足强度要求，但封头和法兰的匹配性差．
(2)改变封头和法兰厚度均可改变其连接处的 应力状态，但封头厚度变化对其影响较大，适当增加 封头厚度，有利于改善联接处的受力状况．
(3)针对非标法兰和凸形封头设计时存在的问 题，提出了将凸形封头和法兰作为整体、采用有限元 进行分析设计的方法．
(4)可以对封头和法兰进行整体优化设计，提高 封头和法兰的匹配性．通过调整凸形封头和法兰厚 度，有可能使封头和法兰结构接近于等强度设计，能 够减轻结构自重，有效降低成本，增加经济效益．
