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摘 要：就目前研究结果而言，对封头的设计一直存在一个争议，即碟形封头能否作为传统标准椭圆封头的替代品，以及如何优化这类封头的设计。本文基于这一背景，分析了大型压力容器旋压封头设计优化中存在的主要困难以及设计要点、难点，研究了检测技术的使用方法。旨在完善设计方式，提升封头在压力容器中的使用有效性。
关键词：压力容器 封头 设计方法 检测方法
对于压力容器而言，封头的设计是其能否正常运作的重要因素，也是整个压力容器在结构方面完整的保障。对封头的设计优化以及检测技术需要首先了解目前研究中存在的问题以及困难点，之后通过相关参数的不断缩小范围得出最优解。根据多年经验，在研究大直径旋压碟形封头的优化设计方式以及检测技术下得出了一些阶段性结论，现作出如下报告：
一、大型压力容器旋压封头设计优化
在对大直径旋压碟形封头的设计优化与检测分析时，首先应了解这种设计的强度要求，尽可能将强度达到最优化，保障设计时在单纯考虑强度优化因素下得到碟形封头在尺寸上的最佳状态，之后需在强度基础上加大封头设计的稳定性。在此基础上研制出一种新型封头，通过制造性能、稳定性以及强度的兼顾达到综合性能的提升。在将强度作为基础载体进行设计时，可首先采用零阶优化方式，通过对粗精度的进一步完善将优化变量、状态变量之类的设计参数固定在某一取值范围之内，之后可使用一阶优化法将精度进一步提升，实现高精度优化。
（一）目标参数设计优化
1、强度分析
将碟形封头的初始强度设定为Ri=Di，r=0.1Di。在设计优化中要想让设计更趋向于现实情况并且在计算上更为方便，设计者可以将封头内径的取值设定为2000毫米，即Di=2000毫米，并将初始压力设定为2.5MPa。考虑到封头制造中多数情况下会将标准椭圆形封头替换为碟形封头，因此壁厚的计算应使用碟形封头背景下的计算方法，将初始壁厚设定为15毫米，即t=15毫米。
按照封头荷载特性以及结构特点，在有限元模型的建立上应使用轴对称力学展开研究，结构单元分析利用六节点轴对称单元。之后可对设计实施模型规划设计与监理、网格的有效划分以及压力加载，将应力强度云图初步规划。在分析相关云图时，需注意其过渡区转角部位即为强度最大应力状态，且此时的值为698MPa，远远超出了3Sm下543MPa状态，按照强度要求，这类封头是无法满足JB4732设计规定的。
2、参数优化
参数优化是对模型的进一步研究，首先需要使用零阶方法将状态变量的范围缩小化，之后采用一阶优化实施进一步精准范围。
零阶方法下，可先将设计变量中的r取值范围设定在200-400之间，将R取值范围设定在1000-2000之间；状态变量中的H取值范围设定在0-250之间，SMAX取值范围设定在0-700之间。之后可根据零阶优化结果，进一步将各参数取值范围缩小化，缩小结果如下：设计变量中的r取值范围设定在200-400之间，将R取值范围设定在1400-2000之间；状态变量中的H取值范围设定在0-250之间，SMAX取值范围设定在0-385之间。可见，变量中的SMAX取值范围明显减小，让设计更为精准化。
3、优化结果
采用ANSYS软件，针对上述研究结果进行四次迭代得出最优解。由于在此之前在零阶优化下各参数取值已经出现了大致范围，也就是说各状态量实际上已经处于趋向最优解的周边范围。从结果通常可看出，从二次迭代到四次迭代，各变量基本上不会产生较大幅度波动，而在这种不断优化之下地四次迭代已经能够得出最优解了。
设计优化过程中，在零阶法与一阶法帮助下其数据结果精度较高，且在优化环节控制碟形封头的最大深度可达到0.25Di，在最优强度下保障了加工制造的优化。在设计优化之后，碟形封头在最大应力强度之下相对于原有封头而言仅为50%左右，力学性能在此改变下明显提升。尽管在标准状态下的碟形封头处于性能最佳状态，但在承受到超出强度的内部压力时仍旧会出现局部屈曲情况（存在出现的可能性，并非一定会出现屈曲），由此可见，对旋压封头的参数优化设计不应仅仅局限于强度方面，强度只是重要参数之一，其加工制造方式、困难程度以及使用稳定性都是设计优化中应该考虑的问题。
（二）优化结论分析
从上述参数设计优化过程以及结果不难发现，在对大型压力容器旋壓封头设计中应注重转角半径r以及球面半径Ri两个因素，在优化过程中需要首先以强度为单一目标，之后将结构稳定性与加工制造便捷性两项因素加入其中。具体而言，设计优化的结论有以下几点：
1、在碟形旋压封头优化过程中，在强度基础上加入加工制造工艺等因素能够产生一种更优解，即一种r/Di值为0.149，Ri/Di值为0.809的新型碟形封头。且这种新型封头在对比中展现出了更优性能。
2、在单纯采用强度方式求解过程中，标准碟形与最优解的封头参数处于相近甚至一致状态。根据ASME标准，标准状态下的椭圆形封头以及标准状态下的碟形封头在设计曲线方面趋向于同一曲线模型。因此从力学角度来看，其标准更具权威性，也在一定程度上加固了本次设计优化的合理性与准确性。
二、大型压力容器旋压封头设计优化检测技术
本次研究中使用的检测方式为激光扫描方式，主要对封头形状进行检测研究，了解封头设计是否符合应用要求。在我国，对封头的检测方面存在如下规定：对于先拼板后成型或是整块直接成型的凸状封头，在成型之后应根据标准断面形状线向着中部做内圈，缩进尺寸根据实际情况而定，保障能够得出间隙样板轮廓线即可。在检查过程中，需注意与目标对象表面的垂直性。相关参数规定上，主要是对间隙的最大值规定，例如内凹应保持在0.625%Di以内，外凸应保持在1.25%Di以内。
具体而言，检测技术利用的是激光检测方式，通过测距仪了解获取距离相关信息参数，再在光电编码器帮助下通过计数脉冲得到相关角度参数，在定位测距技术手段下得到封头内表面坐标。之后使用步进电机驱动，电机控制器不但能够在串口状态下将计算机连接达到对电机的控制，还能够设置正交编码电路（外设，也可以称作为QEP电路），实现对角度脉冲（由光电编码器得出）的有效记录。
测量方式方面，目前激光测距仪主要有三种检测方式，即相位测量法、三角测量法以及脉冲法。
三、结束语
本次研究的目的在于了解大型压力容器旋压封头设计中可能出现的困难以及遇到的问题，通过分析目标对象强度、将涉及参数不断优化精确范围、设计机械结构以及编写相关软件程序等方式找到设计优化中的准则或是解决方法。通过对本次研究的设计优化方式以及检测技术了解可发现，封头的最大应力强度并非与最大形状偏差呈正相关关系，因此封头在形状上产生的误差不能够作为判断其能否取代标准椭圆封头的单一因素，对碟形封头极限屈曲压力以及应力强度的主要影响因素主要为封头的深度以及r/Ri的值。
参考文献
[1]丁忠庆.旋压封头直段裂纹产生原因分析及预防措施[J].特种设备安全技术，2011（03）.
[2]胡硕生.进口旋压封头表面裂纹原因分析[J].石油和化工设备，2009（09）.
[3]谢晓芳，张腾，谢安.冷旋压不锈钢封头拼接焊缝开裂的原因及防止措施[J].化工装备技术，2012（05）.
[4]李利军，季丽娜，吕大昭.工业装置中旋压封头卧式和立式容器内液位-体积关系求解[J].北京建筑工程学院学报，2012（02）.
[5]张晋辉，杨合，詹梅.旋轮参数对大型变壁厚椭圆封头强力旋压成形的影响[J].塑性工程学报，2011（02）.
关键词：压力容器 封头 设计方法 检测方法
对于压力容器而言，封头的设计是其能否正常运作的重要因素，也是整个压力容器在结构方面完整的保障。对封头的设计优化以及检测技术需要首先了解目前研究中存在的问题以及困难点，之后通过相关参数的不断缩小范围得出最优解。根据多年经验，在研究大直径旋压碟形封头的优化设计方式以及检测技术下得出了一些阶段性结论，现作出如下报告：
一、大型压力容器旋压封头设计优化
在对大直径旋压碟形封头的设计优化与检测分析时，首先应了解这种设计的强度要求，尽可能将强度达到最优化，保障设计时在单纯考虑强度优化因素下得到碟形封头在尺寸上的最佳状态，之后需在强度基础上加大封头设计的稳定性。在此基础上研制出一种新型封头，通过制造性能、稳定性以及强度的兼顾达到综合性能的提升。在将强度作为基础载体进行设计时，可首先采用零阶优化方式，通过对粗精度的进一步完善将优化变量、状态变量之类的设计参数固定在某一取值范围之内，之后可使用一阶优化法将精度进一步提升，实现高精度优化。
（一）目标参数设计优化
1、强度分析
将碟形封头的初始强度设定为Ri=Di，r=0.1Di。在设计优化中要想让设计更趋向于现实情况并且在计算上更为方便，设计者可以将封头内径的取值设定为2000毫米，即Di=2000毫米，并将初始压力设定为2.5MPa。考虑到封头制造中多数情况下会将标准椭圆形封头替换为碟形封头，因此壁厚的计算应使用碟形封头背景下的计算方法，将初始壁厚设定为15毫米，即t=15毫米。
按照封头荷载特性以及结构特点，在有限元模型的建立上应使用轴对称力学展开研究，结构单元分析利用六节点轴对称单元。之后可对设计实施模型规划设计与监理、网格的有效划分以及压力加载，将应力强度云图初步规划。在分析相关云图时，需注意其过渡区转角部位即为强度最大应力状态，且此时的值为698MPa，远远超出了3Sm下543MPa状态，按照强度要求，这类封头是无法满足JB4732设计规定的。
2、参数优化
参数优化是对模型的进一步研究，首先需要使用零阶方法将状态变量的范围缩小化，之后采用一阶优化实施进一步精准范围。
零阶方法下，可先将设计变量中的r取值范围设定在200-400之间，将R取值范围设定在1000-2000之间；状态变量中的H取值范围设定在0-250之间，SMAX取值范围设定在0-700之间。之后可根据零阶优化结果，进一步将各参数取值范围缩小化，缩小结果如下：设计变量中的r取值范围设定在200-400之间，将R取值范围设定在1400-2000之间；状态变量中的H取值范围设定在0-250之间，SMAX取值范围设定在0-385之间。可见，变量中的SMAX取值范围明显减小，让设计更为精准化。
3、优化结果
采用ANSYS软件，针对上述研究结果进行四次迭代得出最优解。由于在此之前在零阶优化下各参数取值已经出现了大致范围，也就是说各状态量实际上已经处于趋向最优解的周边范围。从结果通常可看出，从二次迭代到四次迭代，各变量基本上不会产生较大幅度波动，而在这种不断优化之下地四次迭代已经能够得出最优解了。
设计优化过程中，在零阶法与一阶法帮助下其数据结果精度较高，且在优化环节控制碟形封头的最大深度可达到0.25Di，在最优强度下保障了加工制造的优化。在设计优化之后，碟形封头在最大应力强度之下相对于原有封头而言仅为50%左右，力学性能在此改变下明显提升。尽管在标准状态下的碟形封头处于性能最佳状态，但在承受到超出强度的内部压力时仍旧会出现局部屈曲情况（存在出现的可能性，并非一定会出现屈曲），由此可见，对旋压封头的参数优化设计不应仅仅局限于强度方面，强度只是重要参数之一，其加工制造方式、困难程度以及使用稳定性都是设计优化中应该考虑的问题。
（二）优化结论分析
从上述参数设计优化过程以及结果不难发现，在对大型压力容器旋壓封头设计中应注重转角半径r以及球面半径Ri两个因素，在优化过程中需要首先以强度为单一目标，之后将结构稳定性与加工制造便捷性两项因素加入其中。具体而言，设计优化的结论有以下几点：
1、在碟形旋压封头优化过程中，在强度基础上加入加工制造工艺等因素能够产生一种更优解，即一种r/Di值为0.149，Ri/Di值为0.809的新型碟形封头。且这种新型封头在对比中展现出了更优性能。
2、在单纯采用强度方式求解过程中，标准碟形与最优解的封头参数处于相近甚至一致状态。根据ASME标准，标准状态下的椭圆形封头以及标准状态下的碟形封头在设计曲线方面趋向于同一曲线模型。因此从力学角度来看，其标准更具权威性，也在一定程度上加固了本次设计优化的合理性与准确性。
二、大型压力容器旋压封头设计优化检测技术
本次研究中使用的检测方式为激光扫描方式，主要对封头形状进行检测研究，了解封头设计是否符合应用要求。在我国，对封头的检测方面存在如下规定：对于先拼板后成型或是整块直接成型的凸状封头，在成型之后应根据标准断面形状线向着中部做内圈，缩进尺寸根据实际情况而定，保障能够得出间隙样板轮廓线即可。在检查过程中，需注意与目标对象表面的垂直性。相关参数规定上，主要是对间隙的最大值规定，例如内凹应保持在0.625%Di以内，外凸应保持在1.25%Di以内。
具体而言，检测技术利用的是激光检测方式，通过测距仪了解获取距离相关信息参数，再在光电编码器帮助下通过计数脉冲得到相关角度参数，在定位测距技术手段下得到封头内表面坐标。之后使用步进电机驱动，电机控制器不但能够在串口状态下将计算机连接达到对电机的控制，还能够设置正交编码电路（外设，也可以称作为QEP电路），实现对角度脉冲（由光电编码器得出）的有效记录。
测量方式方面，目前激光测距仪主要有三种检测方式，即相位测量法、三角测量法以及脉冲法。
三、结束语
本次研究的目的在于了解大型压力容器旋压封头设计中可能出现的困难以及遇到的问题，通过分析目标对象强度、将涉及参数不断优化精确范围、设计机械结构以及编写相关软件程序等方式找到设计优化中的准则或是解决方法。通过对本次研究的设计优化方式以及检测技术了解可发现，封头的最大应力强度并非与最大形状偏差呈正相关关系，因此封头在形状上产生的误差不能够作为判断其能否取代标准椭圆封头的单一因素，对碟形封头极限屈曲压力以及应力强度的主要影响因素主要为封头的深度以及r/Ri的值。
参考文献
[1]丁忠庆.旋压封头直段裂纹产生原因分析及预防措施[J].特种设备安全技术，2011（03）.
[2]胡硕生.进口旋压封头表面裂纹原因分析[J].石油和化工设备，2009（09）.
[3]谢晓芳，张腾，谢安.冷旋压不锈钢封头拼接焊缝开裂的原因及防止措施[J].化工装备技术，2012（05）.
[4]李利军，季丽娜，吕大昭.工业装置中旋压封头卧式和立式容器内液位-体积关系求解[J].北京建筑工程学院学报，2012（02）.
[5]张晋辉，杨合，詹梅.旋轮参数对大型变壁厚椭圆封头强力旋压成形的影响[J].塑性工程学报，2011（02）.