化工设备课件第三节内压圆筒封头的设计

1、第三节内压圆筒封头的设计 n 容器封头又称端 盖，按其形状可分为 三类： n1、凸形封头； n2、锥形封头； n3、平板形封头。 其中凸形封头包括： nA、半球形封头 nB、椭圆形封头 nC、碟形封头 nD、球冠形封头四种。 一、半球形封头 n 半球形封头是由半 个球壳构成的，它的计 算壁厚公式与球壳相同。 既 n 所以，球形封头壁厚 可较相同直径与压力的 圆筒可减薄一半。但在 实际工作中，为了焊接 方便以及降低边界处的 边缘应力，也常和筒体 取相同的壁厚。 椭圆形封头 h1 h2 n 当椭球壳的长短半 轴 a /b2时，椭球壳 赤道上出现很大的应力， 其绝对值远大于顶点的 应力。 n 为考虑

2、这种应力变 化对椭圆形封头强度的 影响，而引入了形状系 数K，国家标准规定，在 工程应用中，K值不大于 2.6。 n 受内压力的椭圆形 封头的计算壁厚公式 为: 椭圆形封头的形状系数K值 标准椭圆形封头 n 工程上将（Di/2hi）=2，即a/b=2的椭圆形封头称为 标准椭圆形封头，此时形状系数K=1（见表4-10）， 于是得标准椭圆形封头的计算壁厚公式为： 20.5 t PcDi S Pc 国家标准规定： n 标准椭圆形封头的有效壁厚Se应不小于封头内直 径的0.15%,其他椭圆形封头的有效壁厚应不小于封头 内直径的0.30%。 n 椭圆形封头的最大允许工作压按下式计算： 标准椭圆形封头的直

3、边高度h0 n表4-1标准椭圆形封头的直边高度标准椭圆形封头的直边高度h0 mm n封头材料碳素钢普低钢复合钢板 不 锈 钢 n封头壁厚 48 1018 39 39 1018 20直 边高度 25 40 50 25 40 50 n现行的椭圆形封头标准为JB/T4737-95。 三、碟形封头 n碟形封头由三部 分构成：以为半径Ri 的球面，以r为半径 的过渡圆弧（既折边） 和高度为h0的直边。 R r DN h1h2 n 其球面半径越大，折边半径越小封 头的深度将越浅。考虑到球面部分与过 渡区联接处的局部高应力，规定： n Ri0.9Di r=0.17Di n n碟形封头过渡圆弧与球面联接处的

4、经线曲率有突变，在压力作用下，这里 将产生很大的边缘应力，考虑这一边缘 应力的影响，在设计中引入形状系数M， 其计算壁厚公式为： 20.5 i t MPcR S Pc 碟形封头的形状系数M值 1 3 4 Ri M r 标准碟形形封头 n 当碟形封头的球面内半径 Ri=0.9Di ，过渡 圆弧内半径 r = 0.17Di时，称为标准碟形封头。 此时M =1.325，于是标准碟形封头的计算壁厚 公式为： 1.2 20.5 t PcDi S Pc n 国家标准规定：标准碟形封头的有 效壁厚Se应不小于封头内直径的0.15%, 其他碟形形封头的有效壁厚应不小于封 头内直径的0.30%。 n 碟形封头的

5、最大允许工作压按下式计 算： 2 0.5 t Se Pw MDiSe 封头与筒体的联接 n 封头与筒体可用 法兰联接，也可用焊 接联接，但必须采用 对接接头，如果厚度 不同，可按右图示处 理。 四、球冠形封头 n球冠形封头又称为无折边球形封头。 n 球冠形封头多数情况下用作容器中两独立 受压室的中间封头，也可作端封头（图4-7） 封头与筒体联接处必须采用全焊透结构，因此， 应适当控制封头厚度以保证全焊透结构的焊接 质量。应控制 n Ri=0.71.0Di 球冠形封头的设计 n 当承受内压时，在 球冠形封头内将产生 拉应力，但次应力并 不大，然而在封头与 筒壁联接处，却存在 着很大的局部边缘应

6、力，因此，在确定球 冠形封头的壁厚时， 重点应放在上述这些 局部应力上。 n n 受内压球冠形封头的计算壁厚按下式计 算： 2 t QPcDi S Pc n 在任何情况下，与球冠形封头联接 的圆筒厚度应不小于封头厚度。否则， 应在封头与圆筒间设置加强段过度连接。 圆筒加强段的厚度于封头等厚；加强段 长度L均不小于2 0.5DiS 五、锥形封头 n 锥形封头广泛应用于许多化工设备 的底盖，它的优点是便于收集与卸出这 些设备中的固体物料。此外，一些塔设 备上、下部分的直径不等，也常用锥形 壳体将直径不等的两段塔体连接起来。 n受内压的锥形封头的最大应力在锥壳的 大端，其值为： n其强度条件为： n

7、由此可得计算壁厚公式为： n 3-28 1 max 2 cos PD S 1 max 2cos tPD S 1 cos 2 t PcDc Sc Pc 锥形封头的受力分析 n 按上式计算的锥形封头壁厚，由于 没有考虑封头与筒体连接处的边缘应力， 因而此壁厚往往是不够的。需在考虑上 述边缘应力的基础上，建立一些补充的 设计公式。 降低边缘应力的方法 n一、将连接处附近的封头及筒体的壁厚 增大，这种方法叫做局部补强。 n二、在封头与筒体间增加一个过渡圆弧， 则整个封头由锥体、过渡圆弧及高度为 的直边三部分组成。 1、受内压无折边锥形封头 n（1）锥壳大端连接处的壁厚 n对于锥壳大端，当锥壳半顶角30

8、0时， 可采用无折边结构；当300时，应采 用带过渡段的折边结构，见图4-13，否 则应按应力分析法进行设计。 锥壳大端的壁厚： n 以与半顶角值查图3-20，当其交点位于曲 线之上时，不必局部加强，其壁厚按（3-28） 式计算。当其交点位于曲线之下方时，则需要 局部加强，锥壳和圆筒加强段厚度需相同，其 加强区计算壁厚按（3-29）式计算： 3-29 2 t QPcDi S Pc 最大角度， 图图3-32确定锥体大端与筒体确定锥体大端与筒体 连接处的加强图连接处的加强图 n 式中系数由图3-16查得， 遇中间值用内插法。加强段 的厚度不得小于相连接的锥 壳厚度。锥壳加强段的长度 应不小于； n

9、圆筒加强段的长度应不小于。 0.5 2 cos DiSr 2 0.5DiSr （2）锥壳小端连接处的壁厚 n对于锥壳小端，当锥壳半顶角450时， 可采用无折边结构；当450时，应采用 带过渡段的折边结构。 n n n 锥壳小端的壁厚：以与半顶角值查图3- 22，当其交点位于曲线之上时，不必局部加强， 其壁厚按（3-28）式计算。当其交点位于曲线 之下方时，则需要局部加强，锥壳和圆筒加强 段厚度需相同，其加强区计算壁厚按（3-30） 式计算： n （3-30） 2 t QPcDis S Pc 确定锥体小端与筒体连接处的加强图确定锥体小端与筒体连接处的加强图 n式中为系数，由图3-21查得，遇中间

10、值 用内插法。 n加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚 度。锥壳加强段的长度L1应不小于 n ； n圆筒加强段的长L2度应不小于 。 D isSr C O S DisSr 受内压无折边锥形封头设计总 结 n 综上所述，无折边锥壳的厚度：当 无折边锥壳大端或小端，或大、小端同 时具有加强段时，应按（3-28）式、 （3-29）式和（3-30）式分别确定各部 分厚度。如考虑只由一种厚度组成时， 则应取上述各部分厚度中的最大值作为 无折边锥壳的厚度。 2、受内压折边锥形封头 n 当锥壳大端的半顶角300时，当锥壳小 端的半顶角450时，应采用带过渡段的折边 结构。 n 大端折边锥壳的过渡段转角内半径r

11、应不小 于封头大端内直径Di的10%，且不小于该过渡 段厚度的3倍. n 小端折边锥壳的过渡段转角内半径r应不 小于封头小端内直径Dis的5%，且不小于该过 渡段厚度的3倍. n(1)锥壳大端 n 折边锥壳厚度按下述之（3-29）式和（3- 30） 式计算，取其较大值。 nA、过渡段厚度： （3-31） nB、与过渡段相连接处的锥壳厚度： n （3- 32） 20.5 t KPcDi S Pc 20.5 t fPcDi S Pc 表表3-10 系数系数K值值 n（2）锥壳小端 n 当锥壳半顶角450时，若采用小端无折边， 其小端厚度按（4-28）式计算，如需采用小端 有折边，其小端过渡段厚度仍

12、按（4-28）式计 算，式中系数，由图4-18查取。当锥壳半顶角 450时，其小端过渡段厚度仍按（4-28）式 计算，但式中系数，由图4-19查取。 n n 与过渡段相接的锥壳和圆筒加强段厚度 应与过渡段厚度相同。锥壳加强段的长 度L1应不小于: n n圆筒加强段的长度L2应不小于: cos D isSr DisSr 折边锥壳的厚度设计总结 n 综上所述，折边锥壳的厚度：当锥壳大端或大、 小端同时具有过渡段时，应按（4-27）式，（4-30） 式和（4-29）式分别确定各部分厚度。如考虑只由一 种厚度组成时，则应取上述各部分厚度中的最大值作 为折边锥壳的厚度。 n 当锥壳半顶角600时，其厚度

13、可按平盖计算， 也可用应力分析方法确定。 n 标准带折边锥形封头有半顶角为300及450两种，锥 体大端过渡区圆弧半径r=0.15Di 。 六、平板封头 n 平板封头的几何形状有圆形、椭圆 形、长圆形、矩形和方形等。 n 对于周边固定（夹持）受均布载荷的圆平板 n 其最大应力是径向弯曲应力，产生在圆板的 边缘（图3-25），其值由下式计算： n （3-33） 222 max 33 0.188 416 RDD PPP SSS 对于周边简支受均布载荷的圆平板 n 其最大应力产生在圆板的中心，且此 时此处的径向弯曲应力与切向弯曲应力 相等（图3-26），其值由下式计算： n （3-34） 222 0

14、.3 m ax 3 3 1.240.31 8 P R DD PP SSS 当 取时 平板封头计算公式 n 根据强度条件：由（3-33）式和（4-34） 式即可得到相应的圆平板封头厚度的计 算公式： n 周边固定（夹持） n n 周边简支 0.188 t P SD 0.31 t P SD n 由（4-33）式和（3-34)式可知，薄 板的最大弯曲应力与（R/S )2成正比，而 薄壳的最大拉（压）应力与R/S成正比。 因此，在相同的R/S和相同的载荷的情况 下，薄板的所需厚度要比薄壳大得多， 即在相同操作压力下，平板封头要比凸 形封头厚得多。 n 对于压力容器的人孔、手孔等在操作 时需要用盲板封闭

15、的地方，广泛采用平 板盖。此外，在高压容移中，平板封头 用得较为普遍。这是因为高压容器的封 头很厚，直径又相对较小，凸形封头的 制造较为困难。随着制造技术的发展， 半球形封头在高压容器中已经开始应用， 但到目前为止，平板封头仍然是高压容 器应用得最多的一种形式。 表4-15平板封头系数K n 以上两种情况的壁厚计算公式形式 相同，惟系数不同。由于实际上平板封 头的边缘支撑情况很难确定，它不属于 纯刚性固定也不属于纯简支的情况，往 往是介于这两种情况之间，既系数在 0.1880.13之间. n 对于平板封头的设计，在有关化工 容器设计规定中，利用一个结构特征系 数K，将平板封头厚度的设计公式归纳

16、为： t KP SDc 七、例题 n例题3-1 某化工厂欲设计一台石油气分离中的乙烯精 馏塔。工艺参数为：塔体内径Di = 600 mm，计算压 力为Pc=2.2MPa，工作温度为 t=320 0C。试 选择塔体材料并确定塔体壁厚和封头型式与尺寸. n解 (1) 选材 n由于石油气对钢材的腐蚀不大，温度在320 0C， 压力为中压，故选用16 MnR 。 n(2) 确定参数 nPc =2.2 Mpa; Di=600 mm; t =170 MPa n=0. 8（采用带垫板的单面焊对接接头，局部无损擦 伤）， n取C21 mm。 n(3）计算壁厚 2 2.2600 21700.82.2 4.9 t PcDi S Pc n设计壁厚 Sd=S+C2=4.9+1.0=5.9(mm) n根据计算壁厚4.9 mm，加上C2后为5.9 mm，查表3-4 得C1= 0.6 mm， n则 C=C1+C2=1. 6mm， n故 4.9C4.91.66.5 (mm） n 圆整后取厚度为Sn=7 mm（根据表3-4复验名义厚 度为7 mm时钢板厚度负偏差仍为C1=0.6( mm）的1