过程设备设计第四章(4.3.3)

4.3常规设计4.3.3封头设计第四章压力容器设计CHAPTERⅣDesignofPressureVessel1过程设备设计4.3常规设计

4.1概述

4.2设计准则

4.3常规设计

4.4分析设计

4.5疲劳分析

4.6压力容器设计技术进展

4.3.3封头设计

4.3.4密封装置设计4.3.5开孔和开孔补强设计4.3.6支座和检查孔4.3.7安全泄放装置4.3.2圆筒设计4.3.1概述4.3.8焊接结构设计4.3.9压力试验2过程设备设计4.3.3封头设计封头种类凸形封头锥壳变径段平盖紧缩口半球形封头椭圆形封头碟形封头球冠形封头3过程设备设计a.半球形封头b.椭圆形封头c.碟形封头d.球冠形封头图4-15常见容器封头的形式4内压封头强度计算受力：薄膜应力＋不连续应力计算：内压薄膜应力＋应力增强系数封头设计：优先选用封头标准中推荐的型式与参数，根据受压情况进行强度或刚度计算，确定合适的厚度。54.3.3.1凸形封头过程设备设计一、半球形封头半球形封头为半个球壳，如图4-15（a）所示。优点:1.受内压的半球形封头薄膜应力为相同直径圆筒体的一半，是最理想的结构形式。缺点: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。应用：高压容器。半球形封头厚度计算公式：（4-40）式中Di—球壳的内直径，mm。适用范围：pc≤0.6[σ]tφ，相当于K≤1.33。（为满足弹性要求）6过程设备设计2.受外压的半球形封头钢制半球形封头弹性失稳的临界压力为：工程上：图算法。取稳定性安全系数m=14.52，得球壳许用外压力：（4-41）令根据

得7过程设备设计将[p]代入式（4-41）得（4-42）由B和[p]的关系式得半球形封头的许用外压力为：（4-43）8过程设备设计图算步骤：不用几何算图a.假定名义厚度δn

，令δe=δn-C，用式（4-42）计算出A。b.根据所用材料选用厚度计算图，由A查取B，再按式（4-43）计算许用外压力[p]。如所得A值落在设计温度下材料线的左方，则直接用式（4-41）计算[p]。c.若[p]≥pc且较接近，则该封头厚度合理，否则重新假设δn，重复上述步骤，直到满足要求为止。9二、椭圆形封头过程设备设计由半个椭球面和短圆筒组成，如图4-15（b）所示。直边段作用：避免封头和筒体的连接焊缝处出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。应用：中、低压容器。(1)受内压（凹面受压）的椭圆形封头受力：薄膜应力＋不连续应力优点：曲率变化平缓，应力分布较均匀。10过程设备设计（4-44）K——应力增强系数或椭圆封头的形状系数，即：

在一定条件下，椭圆形封头中的最大应力和圆筒周向薄膜应力的比值K，与椭圆形封头长轴与短轴之比的关系有关，见图4-16中虚线。相当于：

11过程设备设计用半径为Di的半球形封头厚度乘以K得（4-45）椭圆形封头厚度计算式：且:12过程设备设计当Di/2hi=2，标准椭圆形封头，K=1，厚度计算式为（4-46）椭圆形封头最大允许工作压力：（4-47）采用限制椭圆形封头最小厚度，GB150规定标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15%，非标准椭圆形封头的有效厚度应不小于0.30%。周向失稳：且:13过程设备设计(2)受外压椭圆形封头Ro由椭圆形封头的当量球壳外半径Ro=K1Do代替，K1值是椭圆长短轴比值Do/（2ho）（ho=hi+δn）决定的系数，由表4-5（遇中间值用内插法求得）查得。相同：不同：外压稳定性计算公式和图算法步骤同受外压的半球形封头；2.62.42.22.01.81.61.41.21.0

K11.181.080.990.900.810.730.650.570.50表4-5系数K1Do/（2ho）14过程设备设计三、碟形封头结构:带折边球面封头，由半径为Ri的球面体、半径为r的过渡环壳和短圆筒等三部分组成，见图4-15（c）。优点:过渡环壳降低了封头深度，方便成型，且压制碟形封头的钢模加工简单，应用广泛。缺点:不连续曲面，存在较大边缘弯曲应力。边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其它部位，故受力状况不佳。15过程设备设计(1)受内压(凹面受压)碟形封头

引入碟形封头应力增强系数M,是以球面部分最大总应力为基础的近似修正系数，见(4-48)式即:碟形封头过渡区总应力为球面部分应力的M倍碟形封头厚度计算式：用半球形封头厚度乘以M得（4-49）且:(一般碟形封头)(标准碟形封头)16过程设备设计封头:r≥0.01Di，r≥3δ，且Ri≤Di。（4-50）规定:承受内压碟形封头的最大允许工作压力：标准碟形封头:Ri=0.9Di，r=0.17Di。周向失稳:同椭圆形封头，GB150规定，标准碟形封头，其有效厚度应不小于内直径的0.15%，其它碟形封头的有效厚度应不小于0.30%。17过程设备设计(2)受外压(凸面受压)碟形封头碟形封头的过渡区承受拉应力，球面部分是压应力，有发生失稳的潜在危险，此为防失稳，厚度计算仍可用半球形封头外压计算公式和图算法步骤，只是Ro用球面部分外半径代替。结构简单、制造方便，常用作容器中两独立受压室中间封头，端盖。无转角过渡，存在大的不连续应力，其应力分布不甚合理。四、球冠形封头碟形封头当r=0时，球面与筒体直接连接，如图4-15（d）所示优点：缺点：18过程设备设计(1)受内压球冠形封头

(凹面受压)球冠形封头厚度计算式：(2)受外压球冠形封头(凸面受压)19过程设备设计4.3.3.2锥壳特点：结构不连续，应力分布不理想应用：排放固体颗粒和悬浮或粘稠液体;不同直径圆筒体的中间过渡段，中、低压容器。轴对称锥壳无折边锥壳折边锥壳20过程设备设计（a）无折边锥壳；（b）大端折边锥壳；（c）折边锥壳图4-18锥壳结构形式锥壳大端:半顶角α≤30°，无折边结构

α＞30°，带过渡段的折边结构，或按应力分析方法设计。转角半径r：不小于Di的10%，且不小于该过渡段厚度的3倍。结构：21过程设备设计锥壳小端：半顶角α≤45°，无折边结构；

α＞45°，带过渡段的折边结构。转角半径rs：不小于封头小端内径Dis的5%，且不小于该过渡段厚度的3倍。半顶角α＞60°:厚度按平盖计算，或应力分析方法。强度：受力：薄膜应力＋边缘应力。设计：分别计算锥壳厚度、锥壳大端和小端加强段厚度。若考虑只有一种厚度时，取最大值。22过程设备设计由无力矩理论，最大薄膜应力为锥壳大端的周向应力σθ，即一、受内压无折边锥壳1.锥壳厚度由第一强度理论和弹性失效设计准则，并取D=Di+δccosα，厚度计算式：（4-51）式中:Dc—锥壳计算内直径，mm；δc—锥壳计算厚度，mm；α—锥壳半顶角，（°）。注：当锥壳由同一半顶角的几个不同厚度的锥壳段组成时，DC为各锥壳段大端内直径。23过程设备设计边缘应力具有自限性，最大应力限制在3[σ]t内。按此条件求得的p/（[σ]tφ）及α之间关系见图4-19。2.

锥壳大端

锥壳大端与筒体连接处，曲率突变；两壳体经向内力不能完全平衡，产生横向推力；边缘应力无需加强：坐标点（p/（[σ]tφ）、α）位于图中曲线上方，厚度仍按式（4-51）需要加强：坐标点（p/（[σ]tφ）、α）位于图中曲线下方，厚度计算按式（4-52）：24过程设备设计图4-19确定锥壳大端连接处的加强图25过程设备设计（4-52）式中Di—锥壳大端内直径，mm；Q—应力增值系数，由图4-20查取；

δr—锥壳及其相邻圆筒体的加强段的计算厚度，mm。锥壳加强段的长度L1：筒体加强段的长度L：注：a.锥壳加强段与筒体加强段应具有相同的厚度；

b.加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚度。26过程设备设计图4-20锥壳大端连接处的Q值27过程设备设计3.锥壳小端：与大端相类似，参见文献[2]。⑴按确定锥壳小端连接处的加强图是否需加强。⑵无需加强时,小端厚度仍按式（4-51）式计算。⑶需加强时式中Dis—锥壳小端内直径，mm；Q—应力增值系数，由小端相应图查取；

δr—锥壳及其相邻圆筒体的加强段的计算厚度，mm。

28过程设备设计注：a.锥壳加强段与筒体加强段应具有相同的厚度；

b.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：筒体加强段的长度L：∴若考虑只由一种厚度组成时29过程设备设计（1）锥壳厚度：仍按式（4-51）计算。（2）锥壳大端：厚度按式（4-53）、（4-54）计算，并取较大值：二、受内压折边锥壳锥壳大端过渡段厚度：（4-53）式中:K—系数，查表4-6（遇中间值时用内插法）与过渡段相接处锥壳厚度：（4-54）式中:f—系数，查表4-7（遇中间值时用内插法）r—折边锥壳大端过渡段转角半径，mm。30过程设备设计r/Di0.100.150.200.300.400.5010°0.66440.61110.57890.54030.51680.500020°0.69560.63570.59860.55220.52230.500030°0.75440.68190.63570.57490.53290.500035°0.79800.71610.66290.59140.54070.500040°0.85470.76040.69810.61270.55060.500045°0.92530.81810.74400.64020.56350.500050°1.02700.89440.80450.67650.58040.500055°1.16080.99800.88590.72490.60280.500060°1.35001.14331.00000.79230.63370.5000表4-6系数K值31

r/Di0.100.150.200.300.400.5010°0.50620.50550.50470.50320.50170.500020°0.52570.52250.51930.51280.50640.500030°0.56190.55420.54650.53100.51550.500035°0.58830.55730.56630.54420.52210.500040°0.62220.60690.59160.56110.53050.500045°0.66570.64500.62430.58280.54140.500050°0.72230.69450.66680.61120.55560.500055°0.79730.76020.72300.64860.57430.500060°0.90000.85000.80000.70000.60000.5000表4-7系数f值32过程设备设计小端过渡段厚度需另行计算，见文献[2]。（3）锥壳小端：小端厚度按无折边锥壳小端厚度的计算方法计算；小端无折边：小端有折边：∴若考虑只由一种厚度组成时33过程设备设计三、受外压锥壳

α≤60°：按等效圆筒体计算；α＞60°：按平盖计算。a.假设锥壳名义厚度δne→有效厚度δec=（δnc-C）cosαb.按外压圆筒体的图算法进行外压校核计算→以Le/DL

代替L/Do，DL/δec代替Do/δe。（1）外压锥壳的计算锥壳大端或小端和筒体连接处存在压缩强度和周向稳定性问题，在必要时应设置加强结构。（2）锥壳与筒体连接处的外压加强设计Le：锥壳当量长度，有相应计算公式；DL：所考虑的锥壳段的大端外直径34过程设备设计4.3.3.3平盖理论分析：以圆平板应力分析为基础，分为周边固支或简支；实际上：介于固支和简支之间；工程计算：采用圆平板理论为基础的经验公式，通过系数K来体现平盖周边的支承情况，K值越小平盖周边越接近固支；反之就越接近于简支。这些平盖厚度可按下述方法计算：几何形状：圆形、椭圆形、长圆形、矩形及正方形等。35过程设备设计一、圆形平盖厚度∴平盖的最大应力（4-55）考虑钢板拼焊,