第十章 内压容器封头的设计解析
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p
q0 q T q0 T
q0
T q q T q0
q
p
q0 σ
2
σ
1
图10-6
锥形封头的横推力
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。
δ
Di
δ
δr
Di
2α
2α
Dis
Dis
图10-7
无局部加强的无折 边锥形封头
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：
pc Di M δ= t 2[σ ] φ－ 0.5 pc mm 式中：M为碟形封头形状系数； M = (3 + R i / r ) ，其值见表 10 — 3。
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： 1.2P D
第十章 内压容器封头的设计
一、课时安排：2学时 二、本章的重点、难点：
常用封头：半球形、椭圆形、蝶形、锥形封头的 设计计算方法。
三、本章授课内容：
10.1 10.2 10.3 10.4 凸形封头 锥形封头 平板封头 封头的结构特性及选择
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。
Di
δ
Di
∠1:3
∠1:3
δ
L
L
L
∠1:3
图10-4
球冠形封头和中间封头
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：
图10-8
局部加强的无折 边锥形封头
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。
DN
r
Dis δ rs
r
α
h
H
60°
r
d
δ
Di
图10-9
大端折边锥形封头
图10-10
折边锥形封头
10.2 锥形封头
10.2.3 锥形封头的结构要求及计算
δ=
c i
2[σ] φ－0.5Pc
t
t
mm
6.最大工作压力：
2[σ] φδ e [P] = MR i + 0.5δ e MPa
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wenku.baidu.com封头。 封头的焊接结构如图10-4所示。
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。
h1
h0 h2
DN =Di
图10-3
碟形封头
R
r
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≥3δ n。
图10-1
半球形封头
Di
10.1 凸形封头
10.1.2 椭圆形封头
h2 hi(b)
h1 h0
Ri(a)
Di
δ
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。
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。
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。 pc Di δ= mm t 4[σ ] φ－ pc 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。
p c Di K δ= t 2[σ ] φ－ 0.5 pc mm
D 式中：K为封头形状系数，与 i 2h 有关。对于一般椭圆封 头
i
1 2 K = [2 + (D i / 2h i ) ], 其值列于教材 133页表10－1。 6 当 Di
封头，K = 1.0。从公式可以看出， 2h i = 2时，定义为标准头圆形
封头的厚度近似等于筒 体的厚度，这样就可以 采用相同的钢板来制 造。所以工程上常采用 标准型椭圆形封头作为 筒体封头。
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：
2[σ] φδ e [P] = KD i + 0.5δ e
t
MPa
标准椭圆形封头的直边 高度可按表 10 - 2确定。
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× 18-16MnR JB/T4737
N T
Qpc Di δ= t 2[σ ] φ－ pc
mm
p Q L
式中：D i ≠ 2R i，Q - 系数， 对容器端封头由 GB150 - 1998查取。 加强段长度 L ≥2 0.5Di δ
图10-5 球冠形封头与筒体 联接边缘的受力图
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。
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。
PD 1 PD 1 无折边锥形封头： σm = × ，σ θ = × 4δ cosα 2δ cosα PD 1 t σ r3 = σ θ = × ≤ [σ] φ 2δ cosα Pc D i Pc D i 1 ∴δ = ≈ × t t [ ] [ ] 2 σ φcosα－Pc 2 σ φ－Pc cosα ri 1- 2 (1 - cosα ) f 0 Pc D i Dr 折边锥形封头： δ= ，式中：f 0 = t [ ] cosα 2 σ φ－Pc
q0 q T q0 T
q0
T q q T q0
q
p
q0 σ
2
σ
1
图10-6
锥形封头的横推力
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。
δ
Di
δ
δr
Di
2α
2α
Dis
Dis
图10-7
无局部加强的无折 边锥形封头
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：
pc Di M δ= t 2[σ ] φ－ 0.5 pc mm 式中：M为碟形封头形状系数； M = (3 + R i / r ) ，其值见表 10 — 3。
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： 1.2P D
第十章 内压容器封头的设计
一、课时安排：2学时 二、本章的重点、难点：
常用封头：半球形、椭圆形、蝶形、锥形封头的 设计计算方法。
三、本章授课内容：
10.1 10.2 10.3 10.4 凸形封头 锥形封头 平板封头 封头的结构特性及选择
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。
Di
δ
Di
∠1:3
∠1:3
δ
L
L
L
∠1:3
图10-4
球冠形封头和中间封头
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：
图10-8
局部加强的无折 边锥形封头
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。
DN
r
Dis δ rs
r
α
h
H
60°
r
d
δ
Di
图10-9
大端折边锥形封头
图10-10
折边锥形封头
10.2 锥形封头
10.2.3 锥形封头的结构要求及计算
δ=
c i
2[σ] φ－0.5Pc
t
t
mm
6.最大工作压力：
2[σ] φδ e [P] = MR i + 0.5δ e MPa
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wenku.baidu.com封头。 封头的焊接结构如图10-4所示。
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。
h1
h0 h2
DN =Di
图10-3
碟形封头
R
r
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≥3δ n。
图10-1
半球形封头
Di
10.1 凸形封头
10.1.2 椭圆形封头
h2 hi(b)
h1 h0
Ri(a)
Di
δ
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。
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。
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。 pc Di δ= mm t 4[σ ] φ－ pc 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。
p c Di K δ= t 2[σ ] φ－ 0.5 pc mm
D 式中：K为封头形状系数，与 i 2h 有关。对于一般椭圆封 头
i
1 2 K = [2 + (D i / 2h i ) ], 其值列于教材 133页表10－1。 6 当 Di
封头，K = 1.0。从公式可以看出， 2h i = 2时，定义为标准头圆形
封头的厚度近似等于筒 体的厚度，这样就可以 采用相同的钢板来制 造。所以工程上常采用 标准型椭圆形封头作为 筒体封头。
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：
2[σ] φδ e [P] = KD i + 0.5δ e
t
MPa
标准椭圆形封头的直边 高度可按表 10 - 2确定。
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× 18-16MnR JB/T4737
N T
Qpc Di δ= t 2[σ ] φ－ pc
mm
p Q L
式中：D i ≠ 2R i，Q - 系数， 对容器端封头由 GB150 - 1998查取。 加强段长度 L ≥2 0.5Di δ
图10-5 球冠形封头与筒体 联接边缘的受力图
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。
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。
PD 1 PD 1 无折边锥形封头： σm = × ，σ θ = × 4δ cosα 2δ cosα PD 1 t σ r3 = σ θ = × ≤ [σ] φ 2δ cosα Pc D i Pc D i 1 ∴δ = ≈ × t t [ ] [ ] 2 σ φcosα－Pc 2 σ φ－Pc cosα ri 1- 2 (1 - cosα ) f 0 Pc D i Dr 折边锥形封头： δ= ，式中：f 0 = t [ ] cosα 2 σ φ－Pc