内压容器封头的设计

内压容器封头的设计第一页，共二十五页，2022年，8月28日10.1凸形封头容器封头又称端盖，是容器的重要组成部分，按其形状可分为三类：凸形封头、锥形封头和平板形封头。其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、蝶形封头、球冠形封头四种。10.1.1半球形封头半球形封头是由半个球壳组成的，它的计算厚度公式与球壳相同。特点：①受力较理想，设计壁厚只有同直径圆筒体的一半。②制造较困难，对于Di>2.5m的半球形封头，多采用拼焊。见图10-1半球形封头用途：多用于大型高压容器，较大的贮罐。

第二页，共二十五页，2022年，8月28日图10-1半球形封头DiRiδ第三页，共二十五页，2022年，8月28日10.1凸形封头10.1.2椭圆形封头封头的母线为半椭圆形，为了避免在封头与圆筒连接处设置焊缝，并设有直边，h0=25mm、40mm、50mm三种。DiδRi(a)hi(b)h0第四页，共二十五页，2022年，8月28日10.1凸形封头应力计算采用二倍于相同筒体直径时，半球形封头的应力计算公式。考虑到长短轴比值Di/2hi不同应力分布规律不同，引入椭圆形封头的形状系数K对计算厚度进行修正。第五页，共二十五页，2022年，8月28日10.1凸形封头椭圆形封头的最大允许工作压力按下式计算：标准型椭圆形封头已标准化（JB/T4737-95)，设计时可根据公称直径和厚度选取。对于内经为1600mm，名义厚度为18mm,材质为16MnR的椭圆形封头可标记为：椭圆封头DN1600×18-16MnRJB/T4737第六页，共二十五页，2022年，8月28日10.1凸形封头10.1.3碟形封头碟形封头又称带折边的球形封头，有三部分组成：以Ri为半径的球面，以r为半径的过度圆弧和高度为h0=25mm、40mm、50mm的直边，见图10-3。δi=Dih0图10-3碟形封头第七页，共二十五页，2022年，8月28日10.1凸形封头1.碟形封头的优点：便于手工加工成型，只要有球面模具就可以用人工锻打的方法成型，且可以在安装现场制造。2.碟形封头的缺点：球面部分过渡区的圆弧部分及直边部分的连接处曲率半径有突变，有较大的边缘应力产生。3.为避免局部应力过高，规定：Ri≤Di，r/Di≥0.1，且r≥3δn。第八页，共二十五页，2022年，8月28日10.1凸形封头4.厚度计算：考虑到边缘应力的影响，设计中引入形状系数M，厚度计算公式如下：5.标准封头：Ri=0.9Di，r=0.17Di，M=1.325。标准封头的厚度计算公式可写成如下形式：6.最大工作压力：第九页，共二十五页，2022年，8月28日10.1凸形封头10.1.4球冠形封头将蝶形封头的直边及过渡圆弧部分去掉，球面部分直接焊在筒体上，既为球冠形封头。也称无折边球形封头。封头的焊接结构如图10-4所示。LδDiRiδ∠1:3LδDiRiδ∠1:3L∠1:3图10-4球冠形封头和中间封头第十页，共二十五页，2022年，8月28日10.1凸形封头封头球面内半径Ri控制为圆筒体内直径Di的0.7～1.0倍。当容器受内压时，在球形封头内将产生拉应力，这个力只是筒体环向应力的一半，而封头与筒体的连接处，却存在着较大的局部边缘应力，见图10-5所示。受内压球冠形封头的计算厚度按下式确定：QNTp图10-5球冠形封头与筒体联接边缘的受力图L第十一页，共二十五页，2022年，8月28日10.2锥形封头10.2.1锥形封头的受力分析锥形封头在同等条件下与其它封头比较，其受力情况较差，其中一个主要原因是因为锥形封头与圆筒连接处的转折较为厉害，故曲率半径发生突变而产生边缘力的缘故。假设锥形封头大端边界上每单位长度的径向力用T表示，而沿轴向的分力以q表示，沿径向的分力以q0表示。如图10-6所示。pq0TqTq0qpTqqq0Tq0q0σ1σ2图10-6锥形封头的横推力第十二页，共二十五页，2022年，8月28日10.2锥形封头10.2.2降低连接处的边缘应力的方法1.使连接处附近的封头及筒体厚度增大，即采用局部加强法。见图10-8是局部加强的无折边锥形封头。DiδDisδ2αDiδDisδ2αδrδr图10-8局部加强的无折边锥形封头图10-7无局部加强的无折边锥形封头第十三页，共二十五页，2022年，8月28日10.2锥形封头2.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h0的直边三部分构成，称折边锥形封头。图10-9大端折边锥形封头DisαrsδrrδDi图10-10折边锥形封头第十四页，共二十五页，2022年，8月28日10.2锥形封头10.2.3锥形封头的结构要求及计算①对于α≤600的轴对称无折边或折边锥壳，有两种不同的计算方法，可参见GB150-1998，另外需要时锥壳可以由同一半锥角的几个不同厚度的锥壳组成。第十五页，共二十五页，2022年，8月28日10.2锥形封头②对于锥壳大端，当锥壳半锥角α≤300时，可以采用无折边结构；当α＞300时，应采用带过渡段的折边结构，否则应按应力分析的方法进行设计。③大端锥壳的过渡段转角半径r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。④对于锥壳小端，当锥壳半锥角α≤450时，可以采用无折边结构；当α＞450时，应采用带过渡段的折边结构。⑤小端锥壳的过渡段转角半径rs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。⑥当锥壳半锥角α＞600时，其厚度可按平盖计算，也可用应力分析方法确定。锥壳与筒体的连接应采用全焊透结构。第十六页，共二十五页，2022年，8月28日10.2锥形封头10.2.4锥形封头的标准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。JB/T4738-95为900折边锥形封头，JB/T4739-95为600折边锥形封头，设计时可根据标准选用。第十七页，共二十五页，2022年，8月28日10.3

平板封头平板封头也称平盖，是化工容器或设备厂采用的一种封头。它主要用于常压和低压的设备上，或者高压小直径的设备上。1.平板封头的特点结构简单，制造方便，故也常作为可拆的人孔盖、换热器端盖等。但平盖与凸形封头相比，主要承受弯曲应力的作用。2.平盖的连接方式①不可拆的平盖，教材138页表10-4中序号1～11，采用整体锻造或用平板焊接。②可拆卸的平盖，教材表10-4中序号12、13、14，用螺栓固定，靠压紧垫片密封。第十八页，共二十五页，2022年，8月28日10.3

平板封头3.圆形平盖厚度的计算对于表10-4中序号1～12所示的平盖计算厚度按下式确定:第十九页，共二十五页，2022年，8月28日10.3

平板封头4.非圆形平盖厚度的计算①对于表10-4中序号3、4、5、6、10、11、12所示平盖，按下式计算：②对于表10-4中序号13、14所示平盖，按下式计算：式中：Z-非圆形平盖的形状系数，，且Z≤2.5a-非圆形平盖的短轴长度，mm;b-非圆形平盖的长轴长度，mm。第二十页，共二十五页，2022年，8月28日10.4封头的结构特性及选择封头的结构形式是由工艺过程、承载能力、制造技术方面的要求而决定的，其选用主要根据设计对象的要求。各种封头的优缺点见以下说明。1.半球形封头是由半个球壳构成，就单位容积的表面积来说，为最小；需要的厚度是同样直径的圆筒的二分之一；从受力来看，球形封头是最理想的结构形式；但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压，其拼焊工作量也较大。2.椭圆形封头是由半个椭球面和一圆柱直边段组成，它与碟形封头的容积和表面积基本相同，它的应力情况不如半球形封头均匀，但比碟形封头要好。第二十一页，共二十五页，2022年，8月28日10.4封头的结构特性及选择对于a/b=2的标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。椭圆形封头吸取了碟形封头深度浅的优点，用冲压法易于成型，制造比球形封头容易。3.碟形封头是球面、过渡段以及圆柱直边段三个不同曲面组成。虽然由于过渡段的存在降低了封头的深度，方便了成型加工，但是三部分连接处，由于经线曲率发生突变，在过渡区边界上不连续应力比内压薄膜应力大得多，故受力状况不佳。它的制造常用冲压、手工敲打、旋压成型。4.球冠形封头是部分球形封头与圆筒直接连接，它结构简单、制造方便，常用作容器中两独力受压室的中间封头，也可用作端盖。第二十二页，共二十五页，2022年，8月28日10.4封头的结构特性及选择封头与筒体连接处的角焊缝应采用全焊透结构。在球封头与圆筒连接处其曲率半径发生突变，且两壳体因无公切线而存在横向推力，所以产生相当大的不连续应力，这种封头一般只能用于压力不太高的场合。5.锥形封头锥形封头有两种形式，无折边和有折边封头。就强度而论，锥形封头的结构并不理想，但从受力来看，锥顶部分强度很高，故在锥尖开孔一般不需要补强。锥形封头经常作为流体的均匀引入和引出、悬浮或粘稠液体和固体颗粒等的排放、不同直径圆筒的过渡件。锥形封头可用滚压成型和压制成型，折边部分可以压制或敲打成型，但锥尖部分很难成型。第二十三页，共二十五页，2022年，8月28日10.4封头的结构特性及选择6.平板封头是各种封头中结构最简单、制造最容易的一种封头形式。对于同样直径和压力的容器，采用平板封头的厚度最大。总之，从受力情况来看，半球形封头最好，椭圆形、碟形次之，球冠形、锥形更次之，而平板最差。从制造角度来看，平板最容易，球冠形、锥形次之，碟形、椭圆形更次，而半球形最难。就使用而论，锥形有其特色，用于压力不高的设备上，椭圆形封头用于大多数中低压容器的封头，平板封头用作常压或直径不大的高压容器的封头，球冠形封头用作压力不高的场合或容器中两独