一种用于C型液罐的蝶形封头的制作方法

本发明涉及一种蝶形封头，特别是涉及一种用于c型液罐的蝶形封头，属于压力容器封头。

背景技术：

1、蝶形封头作为压力容器端部核心承压与密封部件，兼具椭球形封头承压稳定性好、平板封头加工便捷的双重优势，凭借成型工艺简单、制造成本低廉、适配大直径罐体装配、焊接工艺成熟等诸多特点，被广泛应用于各类常压、中低压压力容器设备中，尤其在c型液罐领域应用普及度极高。目前行业内常规蝶形封头均严格参照gb/t 25198-2010《压力容器封头》国家标准设计制造，标准结构固定由球面段、等曲率过渡圆弧段与直边段三部分组成，行业通用标准化参数为：球面段半径ri=0.9di（di为封头内径），过渡圆弧段固定曲率半径r=0.17di，直边段为标准平直结构，主要用于封头与罐体筒体的对接焊接、定位密封，是保障压力容器整体密封性与承压稳定性的关键结构。

2、c型液罐作为lpg、轻质化工油品等介质储存、运输的专用承压设备，服役工况相较于普通固定化工储罐更为复杂恶劣，长期处于压力交变冲击、车辆运输颠簸振动、介质持续腐蚀、户外温湿度交替变化的复合工况环境中。严苛的服役条件会持续放大传统标准蝶形封头的固有结构性缺陷，导致设备运行隐患频发、使用寿命大幅缩短，无法满足高端化、高安全性、长寿命的工业使用需求。经大量工程实践与有限元仿真试验验证，现有传统蝶形封头在c型液罐应用场景中存在四大核心技术缺陷，具体如下：

3、一是固定曲率结构引发剧烈应力集中问题。传统标准蝶形封头的球面段与过渡圆弧段均采用固定曲率参数设计，两段曲面衔接位置存在硬性曲率突变，无平滑过渡缓冲结构。在设备内部介质压力持续作用下，曲率突变区域会形成大面积高应力富集区，封头整体应力集中系数普遍维持在3.0以上，远超压力容器安全设计阈值。当c型液罐长期承受交变内压、运输振动载荷时，高应力集中区域会率先萌生微观疲劳裂纹，随着设备持续运行，裂纹会不断拓展、延伸，最终引发封头局部变形、渗漏甚至整体开裂失效，极大缩短设备服役周期，存在重大安全隐患。

4、二是等壁厚结构受力匹配性差，局部承压冗余不足。封头在承压运行过程中，各结构段的应力分布存在显著差异，其中过渡圆弧段作为球面段与直边段的衔接过渡区域，是整个封头应力承载最大、受力工况最复杂的核心部位，所承受的内压载荷、剪切载荷与交变冲击载荷远高于球面段与直边段。但传统蝶形封头采用全域等壁厚设计，未依据封头真实应力场分布规律进行差异化结构设计，导致高应力的过渡圆弧段壁厚承压冗余严重不足，低应力的球面段与直边段存在壁厚冗余浪费的情况。长期运行过程中，过渡圆弧段易出现局部壁厚减薄、弹性形变、塑性变形等问题，设备整体承压稳定性与抗疲劳性能较差，故障发生率居高不下。

5、三是焊接应力与运行内压应力叠加，放大失效风险。直边段与过渡圆弧段的衔接区域是封头与罐体筒体对接焊接的核心接头区域，也是结构力学性能最薄弱的位置。在封头焊接装配过程中，焊接高温会产生不可逆的残余应力，该残余应力会与设备运行过程中的介质内压应力、振动冲击应力形成多重叠加效应，进一步放大局部应力峰值，极易造成焊接接头位置产生微裂纹、焊道开裂等缺陷，进而引发lpg易燃易爆介质泄漏，轻则造成设备停机、介质损耗，重则引发燃烧、爆炸等重大安全事故，严重威胁生产与运输安全。

6、四是无专用防护结构，复杂工况适配能力薄弱。传统标准蝶形封头仅采用单一钢材基材成型，未针对c型液罐的特殊服役工况设置专项防护结构。封头内壁长期接触lpg油气介质，易发生化学腐蚀、冲刷磨损；封头外壁长期暴露在户外环境中，受风雨侵蚀、高低温交替、氧化老化及运输颠簸疲劳损伤影响显著，封头整体抗腐蚀、抗老化、抗疲劳、抗冲击性能有限，无法适配c型液罐全生命周期稳定运行需求，设备后期维护频次高、检修成本高、综合使用经济性差。

7、目前行业内针对传统蝶形封头的上述缺陷，常规优化改进手段仅局限于单一参数调整，主要包括增大过渡圆弧固定曲率半径、整体加厚封头壁厚两种方式，但此类优化手段存在根本性技术弊端，无法从根源上解决封头失效问题。其一，整体加厚封头壁厚会大幅增加钢材原材料消耗，显著提升设备制造成本，同时增厚的封头结构会占用罐体内部有效储料容积，降低c型液罐介质储存能力，牺牲设备使用性能；其二，单纯微调固定曲率参数无法消除球面段与过渡段的曲率突变问题，应力集中的核心缺陷依然存在，仅能小幅降低应力峰值，优化效果极其有限；其三，无差异化结构设计，无法针对性强化高应力区域，封头应力分布不均、局部承压能力不足的问题未得到根本解决。综上，现有传统蝶形封头及常规优化技术，无法同时满足c型液罐对封头高安全性、高耐久性、高容积利用率、低成本、低维护的多重使用需求，因此，研发一种结构优化、应力分布均匀、承压能力强、抗疲劳耐腐蚀、适配工业化批量生产的专用c型液罐蝶形封头，是目前本领域亟待解决的技术难题。。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中标准蝶形封头曲率突变应力集中、等壁厚结构受力不匹配、焊接应力叠加易失效、复杂工况适应性差、常规优化方案性价比低的缺陷，提供一种c型液罐蝶形封头。本发明对应多维度结构优化设计，通过限定球面段优化参数、变曲率过渡段梯度参数、差异化变壁厚结构、一体化圆弧缓冲结构、焊接端应力缓释倒角及双层专用防护结构的协同设计，实现封头应力均匀分布、关键区域承压强化、焊接应力缓释、抗疲劳耐腐蚀性能全方位提升，在不降低罐体有效容积、不显著增加生产成本的前提下，大幅提升c型液罐运行安全性与服役寿命。

2、本发明的目的可以通过采用如下技术方案达到：

3、一种c型液罐蝶形封头，包括一体成型的球面段、过渡圆弧段和直边段，所述球面段、过渡圆弧段、直边段依次平滑衔接；所述过渡圆弧段采用变曲率圆弧结构，且过渡圆弧段的曲率半径由靠近球面段的一端向靠近直边段的一端均匀逐渐增大；所述球面段与过渡圆弧段衔接处设置圆弧过渡缓冲区，所述直边段与过渡圆弧段衔接处设置应力缓释倒角。本发明通过变曲率连续曲面消除传统封头曲率突变缺陷，配合圆弧过渡缓冲区与应力缓释倒角实现多维度应力缓释，从根源上改善封头应力集中问题，适配c型液罐交变承压、介质腐蚀的复杂服役工况。

4、作为本发明的优选结构，所述球面段的球面半径ri与封头内径di的比值为0.92~0.95。相较于国标传统0.9di的球面参数，本优化参数可使球面段应力分布更加均匀，提升球面段整体承压稳定性，避免球面段局部应力富集，适配中低压c型液罐长期承压运行需求。所述过渡圆弧段设置为渐变曲率结构，其中过渡圆弧段最小曲率半径rmin与封头内径di的比值为0.20~0.22，过渡圆弧段最大曲率半径rmax与封头内径di的比值为0.25~0.28，且过渡圆弧段全程保持均匀线性曲率变化，无突变拐点、无曲率落差，彻底解决传统固定曲率过渡段应力集中系数过高的技术缺陷。

5、作为本发明的优选结构，所述封头采用差异化变壁厚结构设计，所述过渡圆弧段的壁厚相较于球面段、直边段的壁厚增厚15%~20%，且球面段与直边段壁厚保持一致。该结构匹配封头真实应力场分布规律，针对应力最集中、承载负荷最大的过渡圆弧段进行局部强化，低应力区域保持常规壁厚，在不增加整体耗材、不减小罐体有效容积的前提下，大幅提升关键部位承压能力。其中，球面段与直边段壁厚严格按照c型液罐设计压力国家标准选取，保证设备基础承压安全。同时，封头的变壁厚区域采用整体旋压一体成型工艺制备，壁厚过渡连续平滑、无突变台阶、无应力死角，成型精度高、结构整体性好。

6、作为本发明的优选结构，所述圆弧过渡缓冲区的圆弧半径设置为过渡圆弧段最小曲率半径的0.3~0.4倍，且圆弧过渡缓冲区与球面段、过渡圆弧段采用无缝一体旋压成型工艺。通过增设专用圆弧过渡缓冲区，在球面段与变曲率过渡圆弧段之间形成多级平滑过渡结构，有效消解两段曲面的曲率差值，彻底消除曲面衔接处的局部应力峰值，进一步降低整体应力集中系数，解决传统封头衔接位置易萌生疲劳裂纹的问题。

7、作为本发明的优选结构，所述应力缓释倒角为圆角倒角，倒角半径设置为直边段壁厚的0.5~0.6倍，且倒角表面与直边段外表面、过渡圆弧段外表面平滑过渡衔接。直边段与过渡圆弧段衔接处为封头与筒体焊接的核心区域，焊接过程易产生残余应力，本发明通过设置专用圆角缓释倒角，可有效分散、消解焊接残余应力，避免焊接残余应力与设备运行内压应力叠加富集，杜绝焊接接头开裂、介质泄漏等安全隐患。

8、作为本发明的优选结构，所述封头内壁设置有耐腐蚀强化层，外壁设置有抗疲劳防护层，形成内外复合防护体系。其中，内壁耐腐蚀强化层采用镍基合金涂层，涂层厚度控制在0.8~1.2mm，镍基合金涂层具备优异的耐酸碱、耐油气腐蚀性能，可长期抵御lpg介质对封头内壁的微腐蚀与冲刷损伤；外壁抗疲劳防护层采用环氧富锌涂层，涂层厚度控制在1.0~1.5mm，涂层附着力强、抗老化、抗交变载荷性能优异，可有效抵御户外风雨侵蚀、氧化老化及运输颠簸带来的疲劳损伤，大幅提升封头复杂工况适配能力与服役寿命。

9、本发明的有益技术效果：

10、1. 应力优化效果显著，安全等级大幅提升。本发明采用变曲率渐变曲面搭配圆弧过渡缓冲区的复合结构，彻底解决传统封头曲率突变导致的应力集中缺陷，将封头整体应力集中系数由传统3.0以上降至1.5以下，消除局部应力峰值，有效避免交变载荷下疲劳裂纹的萌生与扩展，杜绝介质泄漏、封头开裂等安全事故，显著提升c型液罐运行稳定性。

11、2. 受力匹配性强，承压耐久性能优异。本发明基于封头真实应力场分布采用变壁厚差异化设计，针对性强化最大应力承载区域，使过渡圆弧段承压性能提升20%以上，有效解决传统等壁厚结构局部变形、壁厚减薄、塑性失效问题，设备整体抗内压、抗冲击、抗交变载荷能力大幅提升，使用寿命较传统封头提升35%以上。

12、3. 兼顾经济性与实用性，适配工业化生产。相较于传统整体加厚、大曲率半径优化方案，本发明仅局部增厚、结构优化，无需额外增加大量原材料，有效控制生产成本；整体结构及旋压、焊接工艺完全适配现有生产线，无需改造生产设备，成型精度高、装配通用性强，适合规模化批量生产。

13、4. 工况适配范围广，维护成本低。内外双层防护层形成复合防护体系，内壁抵御lpg介质腐蚀，外壁抵御户外氧化、风雨侵蚀及疲劳损伤，有效降低封头老化、腐蚀失效概率，大幅减少设备后期检修、维护频次与成本，可长期稳定适配各类中低压lpg储存、运输复杂工况。