第十章 内压容器封头的设计解析
第十章内压容器封头的设计
第十章内压容器封头的设计内压容器封头是内压容器的重要组成部分，其设计要求能够承受内部压力的作用，具有良好的密封性和较高的强度。
本文将从封头类型、设计原则、材料选择和加工工艺等方面进行详细探讨。
一、常见的封头类型常见的内压容器封头类型包括平面封头、壳体侧首封头和球冠封头等。
平面封头是最常见的一种封头形式，它具有简单的结构和制造工艺，适用于较低压力和较小直径的容器。
壳体侧首封头通过连接到容器壳体的侧壁上来承受内压力，适用于较大直径和较高压力的容器。
球冠封头具有良好的均匀应力分布和较好的抗压性能，适用于高压容器。
二、封头设计原则1.强度设计原则：封头设计要考虑到承受的内压力和外界荷载的作用，确保其具有足够的强度和刚度。
常用的强度设计方法有薄壁理论、试算法和有限元分析等。
2.疲劳寿命设计原则：封头在使用过程中将受到周期性的内压力波动，容易出现疲劳破坏，因此需要进行疲劳寿命设计，确保其耐久性。
3.密封性设计原则：封头应具有良好的密封性能，不仅能够防止介质泄漏，还要防止外界介质进入容器内部。
常见的密封方式有搭接密封、堆焊密封和凸台密封等。
4.热应力设计原则：容器在使用过程中会受到温度的变化，导致封头产生热应力。
设计时需要考虑温度变化对封头的影响，避免热应力引起的变形和破坏。
三、材料选择封头的材料选择要满足以下要求：具有足够的强度和韧性、良好的耐腐蚀性、适宜的可焊性和加工性。
常用的封头材料有碳钢、不锈钢、合金钢和铝合金等。
不同的材料适用于不同的工作条件，需要根据容器的使用环境和介质特性来选择合适的材料。
四、加工工艺封头的加工工艺包括冷冲压、热冲压、冷拉、热拉和焊接等。
冷冲压和热冲压是常用的封头成形方法，可以制造出高精度和复杂形状的封头。
冷拉和热拉是常用的优化工艺，可以进一步提高封头的强度和韧性。
焊接是连接封头与容器壳体的主要方法，需要注意焊接接头的质量和焊接残余应力的控制。
综上所述，内压容器封头的设计要考虑强度、疲劳寿命、密封性和热应力等因素，选择合适的封头类型和材料，并采用适当的加工工艺。
球冠形封头
第三节 平板封头
是常用的一种封头。其几何形状有圆形、椭圆 形、长圆形、矩形和方形等，最常用的是圆形 平板封头。 在各种封头中，平板结构最简单，制造就方便， 但在同样直径、压力下所需的厚度最大，因此 一般只用于小直径和压力低的容器。 但有时在高压容器中，如合成塔中也用平盖， 这是因为它的端盖很厚且直径较小，制造直径 小厚度大的凸形封头很困难。
t
t
pc Di
C2
注解：
为了焊接方便以及降 低边界处的边缘压力， 球形封头通常与筒体等厚设计。 半球形封头多用于大型高压容器的封头和压力 高的贮罐上。
t = pc Di e t 图 10-1 p w 半球形封头 = 半球形封头厚度较相同直径与压力的圆筒厚度减薄一半左右。但实际中， Di e 4 e
椭圆形和碟形封头的容积和表面积基本相同，
可以认为近似相等。
2、力学方面
半球形封头的应力分布最好 椭圆形封头应力情况第二 碟形封头在力学上的最大缺点在于其具有较小的折 边半径r 平板受力情况最差
3、制造及材料消耗方面
封头愈深，直径和厚度愈大，制造愈困难
例1 某化工厂欲设计一台乙烯精馏塔。已知塔内径Di=600mm，
2 pc
t
Qpc Di
式中Di——封头和筒体的内直径， Di ≠ 2Ri, mm;
Q——系数（由算图查得） 注解： 在任何情况下，与球冠形封头连接的圆筒厚度 应不小于封头厚度。否则，应在封头与圆筒间设置 加强段过渡连接。 圆筒加强段的厚度应与封头等厚；端封头一侧或 中间封头两侧的加强段长度L应满足
取C2=1mm，φ=0.8（封头可整体冲压，但考虑与筒体连接处 的环焊缝，其轴向拉伸应力与球壳内的应力相等，故应计入这 一环向焊接接头系数）。
第10章容器设计基础
10.2 内压薄壁容器设计
一、薄壁容器设计的理论基础
1、薄壁容器 容器 厚壁容器 K＞1.2
薄壁容器 K ≤1.2
δ/Di≤0.1
根据容器的外径D0和内径Di的比值K来判断。
D0 Di 2 K 1 2 Di Di Di
石油、化工中使用的压力容器大多为薄壁容器。
2、圆筒薄壁容器承受内压时的应力
无缝钢管一般只适用DN600以下的，直径再大的管线 就要选有缝管。总体来说，无缝管质量低于有缝管。
热扎无缝钢管的生产过程
粗扎
精扎
有缝管的标记 有缝管的标记用公称直径表示：
DN50
公称直径 公称直径是近似内径的一个代号，可用mm或in表 示，每个公称直径对应一个外径D0，但厚度不同 （普通、加厚）→内径Di不同。
以外径为基准的压力容器的公称直径（GB9019—2001）
159 219 273 325 377 426
（2）管子的公称直径（口径、通径）
有缝管（焊接管）：由钢板卷曲焊接而成，化工 厂用来输送水、煤气、空气、油以及取暖用蒸 汽等流体管道。 无缝管：直接生产出，分热轧管和冷拔管两种。前 者最大直径为630mm，后者最大直径为200mm。
三、容器零部件标准化
基本参数 1、公称直径 公称直径DN 公称压力PN
指标准化后的标准直径，DN表示，单位mm
（1）压力容器的公称直径 筒体 钢板卷焊：内径 无缝钢管：外径
封头：公称直径与筒体一致
以内径为基准的压力容器的公称直径（GB9019—2001）
300 800 1800 3000 4600 (350) 900 (1900) 3200 4800 400 1000 2000 3400 5000 (450) (1100) (2100) 3500 5200 500 1200 2200 3600 5400 (550) (1300) (2300) 3800 5500 600 1400 2400 4000 5600 (650) (1500) 2500 4200 5800 700 1600 2600 4400 6000 (750) (1700) 2800 4500
压力容器零部件设计---1封头设计
平板形封头
α＜30º
30º＜α＜60º
设计问题： 1球形封头与圆筒连接
椭圆形封头的最小厚度
标准椭圆形封头：δe≥0.15%Di
非标准椭圆形封头：δe≥0.30%Di
设计问题： 1椭圆形封头与法兰连接（GB150 7.6）
内压碟形封头
壁厚：
MPC Ri 2[ ]t 0.5PC
3、冷成形封头热处理的问题
GB150中10.4.2.2规定冷成形封头应进行热处理， 当制造单位确保成形后的材料性能符合设计使用要 求时，不受此限。除图样另有规定，冷成形的奥氏 体不锈钢封头可不进行热处理。
关于凸形封头的几个问题
4、封头成形的主要质量问题 （1）形状偏差要求 （间隙样板弦长和外凸内凹问题）
按半球形封头计算壁厚，R0取球面部分外半径。
4、无折边球形封头
按半球形封头计算壁厚
关于凸形封头的几个问题
1、封头成形时壁厚减薄量的问题
JB/T4746规定：按照GB150设计的封头，图样上标注了最小 厚度（设计厚度），则封头成形后实测厚度不得小于该最小 厚度；如未标最小厚度，则成形后实测厚度不小于名义厚度 减去钢板负偏差。
关于凸形封头的几个问题
2、关于拼接封头拼接接头系数φ的选取
GB150中10.8.2.2只规定了封头拼接接头应进行100%UT或 者RT检测，但未规定拼接接头系数φ是如何选取？
结论：拼接封头拼接接头系数φ的选取等同于该容器的纵 向焊接接头系数。 Φ=0.85时，RT Ⅲ级合格
Φ=1.0时， RT Ⅱ级合格
GB150中10.2.3.2规定用弦长等于封头内径3/4Di的内 样板检查，其最大间隙不得大于封头内径Di的1.25%
内压薄壁圆筒与封头的强度设计
设计压力p：设定的容器顶部的最高压力---设计载荷。
取值方法：
（1）容器上装有安全阀
取不低于安全阀开启压力 ： p ≤（1.05～1.1）pw
系数取决于弹簧起跳压力 。
23
（2）容器内有爆炸性介质，安装有防爆膜时：
防 爆 膜 装 置 示 意 图
取 设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范围上限。 P93 表4-3，表4-4。
11
当
当1 1
当 21(23)
当 3 13
当 41 2(12)2(23)2(31)2
在大多数应力状态下,脆性材料将发生脆性断裂.因而应选用第一强度理论; 而在大多数应力状态下,塑性材料将发生屈服和剪断.故应选用第三强度理论 或第四强度理论.但材料的破坏形式不仅取决于材料的力学行为,而且与所处 的应力状态,温度和加载速度有关.实验表明,塑性材料在一定的条件下低温
( 4 5
2）现有容器的最大允许工作压力如何？
p w 2 D i tf ee (MPa) ( 4 6)
式中e——有效壁厚， e=圆整后的壁厚（n）－C1－C2 。
19
2、内压球形壳体
pD
1 2 4
公式的适用范围为
pc 0.6[]tf
pcDi
4tf
13
第四强度理论
（能量理论）
当 IV 1 2[ (12)2(23)2(31)2] 122212 2p.D 3
强度条件
IV 当
pD[] 2.3
适用于 塑性材料
第二强度理论（最大变形理论）与实际相差较大，目前很少采用。
压力容器材料都是塑性材料，应采用三、四强度理论， GB150-98
n b n s t t t
压力容器封头制造工艺设计指导
压力容器封头制造工艺设计指导压力容器封头是压力容器的重要组成部分，其密封性能直接影响到整个容器的安全运行。
以下是压力容器封头制造工艺设计的指导原则和步骤：1. 材料选择：首先要选择适合的材料来制造封头，常见的材料有碳钢、不锈钢、合金钢等。
选择材料时要考虑容器运行环境的温度、压力以及化学性质等因素。
2. 尺寸设计：根据容器的设计参数和尺寸要求，确定封头的几何形状、直径、半径等。
常用的封头形状有圆形、椭圆形、扁平形等，选择封头形状要考虑装卸方便、强度要求以及与容器其他部件的连接等因素。
3. 制造工艺选择：根据封头的形状和材料特性，选择适合的制造工艺。
常见的封头制造工艺有冷冲压、热冲压、热成形、冷成形、钣金焊接等。
不同的工艺会影响到封头的成形精度、表面光洁度、强度等。
4. 制造过程控制：在制造过程中，要注重控制各个环节的质量。
包括材料的质量检测、尺寸的精确加工、工艺参数的控制等。
尤其需要注意封头的表面质量，不得有明显的凹凸、裂纹和气孔等缺陷。
5. 非破坏性检测：完成封头的制造后，进行非破坏性检测，以确保封头没有内部缺陷，如裂纹、夹杂等。
常用的非破坏性检测方法有超声波检测、涡流检测、射线检测等。
6. 严格质量控制：在整个制造过程中，要进行严格的质量控制。
包括制定工艺流程、建立工艺文件、设置质量检验点、制定质量检验标准等。
确保封头的质量符合相关标准和要求。
综上所述，压力容器封头的制造工艺设计需要综合考虑材料选择、尺寸设计、制造工艺选择、制造过程控制和质量控制等方面的因素。
只有合理设计和严格控制每个环节，才能确保封头的质量和安全性，从而提高整个压力容器的使用寿命和安全性能。
压力容器封头是压力容器的重要组成部分，它承受着压力容器内部的巨大压力和温度，并通过与容器本体的连接实现密封，确保容器的安全运行。
在压力容器封头制造工艺设计中，需考虑封头的材料选择、几何形状设计、制造工艺选择、制造过程控制和质量控制等因素。
压力容器封头
压力容器封头在压力容器设计和制造中，封头作为容器的重要组成部分承担着关键的封闭和支撑功能。
压力容器封头的类型多种多样，常见的有椭圆封头、扁圆封头、拱形封头等。
对于不同类型的封头，其设计与制造过程存在一定差异，但都需要满足一系列严格的标准和要求。
压力容器封头的功能压力容器封头在容器中起到封闭容器、保持内部压力的作用。
其主要功能包括：1.封闭容器：封头将容器的端部完全封闭，防止容器内介质泄漏或外界杂质进入。
这保证了容器内部介质的纯净性和安全性。
2.承受内部压力：封头需要能够承受容器内介质产生的压力，确保容器在工作过程中能够稳定运行，不会发生压力失控或破裂。
3.承受外部荷载：除了内部压力，封头还需要承受外部荷载对容器的作用，保证容器能够安全地运行在不同环境条件下。
压力容器封头的设计要点设计一个合适的压力容器封头需要考虑多个方面因素，包括封头的类型、尺寸、材料等。
以下是一些设计要点：1.封头类型选择：根据容器的实际工作条件和要求选择合适的封头类型，不同类型的封头具有不同的受力性能和适用范围。
2.受力分析：在设计过程中进行受力分析，确保封头在承受内外压力的情况下不会发生破裂或变形，保证容器的安全性。
3.材料选择：选择合适的材料以满足封头的强度和耐腐蚀性能要求，常见的材料包括碳钢、不锈钢、合金钢等。
4.连接方式：封头与容器的连接方式也是设计的重要部分，通常采用焊接、螺栓连接等方式，要确保连接牢固可靠。
压力容器封头的制造工艺压力容器封头的制造包括材料准备、成型、加工和检测等多个环节，其中制造工艺对封头的质量和性能有着重要影响。
1.材料准备：根据设计要求选取合适的封头材料，并进行切割、预成形等准备工作。
2.成型：通过冷冲、热冲、冷镦、热镦等方式将材料成型成所需形状，保证封头的几何尺寸和表面质量。
3.加工：进行封头表面的粗加工和精加工，包括修磨、抛光等工艺，确保封头表面光洁度和尺寸精度。
4.检测：在制造过程中对封头进行质量检测，包括外观检查、尺寸检测、压力试验等，确保封头符合设计标准和要求。
压力容器的封头和接管设计探讨
压力容器的封头和接管设计探讨摘要压力容器是指盛装气体或液体，承载一定压力的密闭设备。
影响压力容器封头可靠性的重要因素之一则是它的几何尺寸，常规的设计有时不能保证压力容器的封头是可靠的，封头接管的长度是一般设计图纸都不会直接给出的是，这给厂家在无形中增加了许多计算难度，扩大成本。
本文就上述问题分析给出了压力容器的封头和接管的设计计算方法，尤其是在封头壁厚方面，根据最小成型厚度来确定材料厚度，保证封头使用寿命要求，降低投资。
关键词压力容器；封头；接管；设计；安全可靠接管在压力容器的制造过程中，都是安装在压力容器的封头上，但有的设计单位没有给出具体接管的尺寸，给制造厂家带来不小的麻烦，有的制作厂还利用模型放样来确定，不仅浪费时间，还浪费资源。
因此，就要对压力容器的封头及接管进行重新设计计算，按照新的相关规定，在设计和制作的过程中如接管的厚度都要在合理的范围内，以此达到安全、经济、合理的目的。
1压力容器的封头设计压力容器的设计要以标准规范为依据，进行设计计算。
在制造、检验、验收环节加强监管，从而降低问题发生率。
以设计标准GB150、NB/T47003.1为例，其主要是一种出于经济考虑而诞生的设计标准，过程中较为关键的是确定设计载荷、选用设计公式、曲线或图表，取材料安全应力，最终得出容器基本厚度，然后根据相关构造细则与制造标准进行设计、制造。
关于压力容器的封头设计，它自身的厚度是设计的重要部分。
要计算它不同的厚度，只有这样才能在设计过程中控制最小成形厚度。
材料厚度和成品最小厚度是制造过程中控制的主要厚度，只要封头的成品厚度不小于设计规定的最小厚度即可。
有些设计单位在压力容器设计过程中，在设计图纸上只标注名义厚度，最小成形厚度没有注明。
名义厚度就被封头制造厂当做最小成形厚度来考虑，因此就要增加制造封头的投料厚度，封头的成本也因此增加，设计也不经济合理。
关于封头厚度，在新的标准中已很明确，将设计、制造过程中各种厚度的关系分析的十分清楚。
内压薄壁圆筒与封头的强度设计
其强度条件为
当
t
n
[ ]t
当
PD 2S
[
]t
内压薄壁圆筒与封头的强度设计
一、强度计算公式
1．圆柱形容器
圆筒的设计壁厚为Байду номын сангаас
Sd
Pc Di
2[ ]t
Pc
C2
对已有设备进行强度校核和确定最大允许工作压力的计算公式分别为
t Pc (Dc Se ) [ ]t
2Se
[Pw ]
2[
Di
]t Se
外压容器
有安全泄放装置 无安全泄放装置 容器(真空) 夹套(内压)
容器(内压) 夹套(真空)
设计压力 1．0～1．10倍工作压力 不低于(等于或稍大于)安全阀开启托力(安全阀开启压力取1．05～ 1．10倍：工作压力) 取爆破片设计爆破压力加制造范围上限 设计外压力取1．25倍最大内外压力差或0．1MPa二者中的小值 设计外压力取0．1MPa 没计外压力按无夹套真空容器规定选取 设计内压力按内压容器规定选取
内压薄壁圆筒与封头的强度设计
四、容器的耐压试验及其强度校核
容器制成以后(或检修后投入生产之前)，必须作耐压试验或增加气密性试验，以 检验容器的宏观强度和有无渗漏现象。耐压试验就是用液体或气体作为加压介 质，在容器内施加比设计压力还要高的试验压力，并检查容器在试验压力下是 否渗漏，是否有明显的塑性变形以及其他的缺陷，以确保设备的安全运行。
Pc
S
Pc Di
4[ ]t
Pc
C2
t Pc (Di Se ) [ ]t
4Se
[Pw ]
4[
Di
]t Se
Se
内压薄壁圆筒与封头的强度设计
对压力容器用内压锥形封头的讨论
出版 礼 ，２ ０ ． ０５
【】 家 环 境 保 护 总 局 ， 罔 家 质 量 监 督 榆 验 检 疫 总 局 ． １国 Ｇ １６ １２ ０ Ｂ ７９ — ０ ５车用 燃 式 、气 体 燃 料 点 燃 式 发 动 机 与 汽 车
所 ｎ ［ （Ｏ】 ｓ １ １Ｓ Ｄ 台 －￣ 一 Ｃ）
即２ 尺：— Biblioteka ２／ １ ｃｓ ） Ｄ［－ ｒ Ｄ（ － ｏａ ］
尺：
２ ｏ ａ ｅ ｓ
生。因此文献【 中，对不翻边锥形封头 ，根据承受 内 ｌ １ 部压 力 的大小 、采 用 的材料 以 及半 顶角 等 因素 ，用 图
表 的方 式来 确定 是 否需要 加 强并 对 加强 的处 理方 法作 了 明确 的规 定 。 从 锥 形 封头 大 口与 简体 连 接 处 的应 力 状 况 来 看 ， 薄膜应 力不 再成 为控 制 的 因素 ，而是 由轴 向力 的作用 而产 生的 弯 曲应 力 为主 导 ，其在 应力 分 类上 属 于二 次
要 ：本文叙述 了压力容器用内 锥形 封头的种类 及其特 点 ，分析了内 锥形封头在应用选型和设计计算时应注
意 的一 些 问题 ，并 作 了 推 导性 的说 明和 建 议 性 的结 论 。
关键词 ：内乐 ；锥形封头 ；应用选型 ；设计计算 ；压力容器
１ 引言
压力 容器 上采 用 的封 头有 很 多类 型 ，其 中以锥 形 封头 最为 特殊 ，在 压力 容器 上 得 到广 泛 采用 。按 照 锥 形封 头 的承压 方式 可将 其 分 为承受 外 压 的锥 形封 头 和
【 周龙 保 ，刘 巽 俊 ，高 宗 英 ． 燃 机 学 ［ 】北 京 ：机 械 Ｔ业 出 ４ 】 内 Ｍ． ： 版 社 ，１９ ． ９９
第10章-容器设计基本知识
㈡ 公称压力
工作压力不同，相同公称直径的压力容器其筒 体及其零部件的尺寸也不同。
将承受的压力范围分为若干个标准压力等级， 即公称压力。
压力容器法兰与管法兰的公称压力MPa
压力容器 法兰
0.25 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4
管法兰 0.25 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4 10 15 25
压力容器标准是全面总结压力容器 生产、设计、安全等方面的经验，不 断纳入新科技成果而产生的。它是压 力容器设计、制造、验收等必须遵循 的准则。压力容器标准涉及设计方法、 选材及制造、检验方法等。
2020年4月4日星期六
㈠ 国内标准
❖1989我国压力容器标准化技术委员会制订了 GB150-89《钢制压力容器》
s
pD
2
2020年4月4日星期六
分析：
s m pD / 4
s pD / 2
（1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应
力两倍。
问题a：筒体上开椭圆孔，如何开？
应使其短轴与筒体的轴 线平行，以尽量减少开 孔对纵截面的削弱程度， 使环向应力不致增加很 多。
2020年4月4日星期六
分析：
问题b：钢板卷制圆
制造容易安装内件方便承压较好应用最mpa01p1616p1010p100p1002019年1月21日星期一最高工作压力p01mpa不包括液体静压内径di容积vdi015m且v0025m介质气体液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体2019年1月21日星期一2019年1月21日星期一毒性危害程度分级轻度危害急性中吸入200mgm200mgm2000mgm20000mgm100100500250025255005000急性中毒易中毒后果严重可中毒愈后良好偶可中毒无中毒但有影慢性中毒患病率高较高偶有发生有影响慢性中毒后果继续进展不能治愈可基本治愈可恢复无严重后果可恢复无不良后果致癌性人体致癌可疑致癌动物致癌无致癌性最高容许浓度01011010常见化学介质光气汞氰化氢甲醛苯胺氟化氢二氧化硫硫化氢氨2019年1月21日星期一pv10mpampv05mpampv02mpam10502019年1月21日星期一1中压容器
内外压容器——受压元件设计
价于pc≤0.4[σ]tφ 3）公式来由：内压圆筒壁厚计算公式是从圆筒与内压的
二、压力容器受压元件计算
二、压力容器受压元件计算
（1） 圆筒受压力 pc 的轴向作用：
pc 在圆筒轴向产生的总轴向力：
= F1
r
计算公式：
Qpc Dis
2 t pc
其中：Q 也称应力增值系数，其中体现边界力作用引起
的局部环向薄膜应力，并将许用应力控制值调至
1.1[σ] t 。
二、压力容器受压元件计算
d.加强段长度 a) 锥壳大端加强度长度 L1：
0.5Di r L1=2 cos 与之相接的圆筒也同时加厚至δr，称圆筒加强段
2
2
经变形得：2σθδ－pcδ=pcDi δ（2σθ－pc ）=pc·Di
当σθ控制在[σ] t ，且考虑焊缝系数φ时，即σθ取[σ]t φ时，
pc Di
2 t
pc
此即 GB 150 中的内压圆筒计算厚度的公式（见 P26，式 5－1），
称中径公式。
二、压力容器受压元件计算
4）公式计算应力的意义: 一次总体环向薄膜应力，控制值[σ]。 采用中径公式后，计算的应力水平和拉美公式计算结果相比，
3）焊缝接头系数。 指拼缝，但不包括椭封与圆筒的连接环缝的接头系 数。 4）内压稳定: a. a/b≯2.6限制条件 b.防止失稳，限制封头最小有效厚度: a/b≤2，即K≤1 δmin≥0.15%Di a/b ＞2，即K＞1 δmin≥0.30% Di
二、压力容器受压元件计算
B.外压作用下: 1）封头稳定以薄膜应力为对象计算: a.变形特征: 趋扁。 b.计算对象
化工机械基础-第10章 内压容器封头设计
a.结构最简单，制造最容易的一种封头形式； b.对于同样直径和压力的容器，厚度最大。
Page31
化工设备机械 基础
各种封头比较
1）从受力情况看，半球形封头最好，椭圆形和碟 形其次，球冠形和锥形更次之，平板最差； 2）从制造角度看，平板最容易，球冠形和锥形次 之，碟形和椭圆形更次，而半球形最难； 3）从使用而论：
Page5
化工设备机械 基础
设计思路：
1）对于受均匀内压封头的强度计算，不仅 要考虑封头本身因内压引起的薄膜应力，还 要考虑与筒身连接处的边缘应力。
2）在封头设计中，薄膜应力作为强度判断 中的基本应力；而把因不连续效应产生的 应力增强影响以应力增强系数的形式引入 壁厚计算式。
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化工设备机械 基础
a.由球面，过渡段和直边段组成； b.过渡段的存在，降低了封头深度，便于加工； c.三部分连接处，经向曲率突变，不连续应力比 薄膜应力大，受力不佳。
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化工设备机械 基础
(4)锥形封头
a.就强度而论，锥形封头的结构不理想； b.封头的形式，决定了容器的使用要求，比如，对 于气体的均匀进入和引出，悬浮或粘稠液体和固 体颗粒的排放，不同直径圆筒的过度，是理想的 结构形式。
Page35
化工设备机械 基础
标准碟形封头壁厚：
d
1.325 pcDi
2 t 0.5 pc
C2
pC＝2.2MPa；Di=600mm； []t=189MPa；j=1.0，C2=1.0mm 考虑钢板厚度负偏差，取C1=0.3mm
代入并经圆整后用n=6mm钢板。
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平板封头壁厚：
化工设备机械 基础
§10.1 凸形封头
第十章内压容器封头的设计
厚度计算公式
四、球冠形封头
降低凸形封头高度, 将碟形封头的直边 及过渡圆弧部分去 掉, 只留下球面部分 。
也称无折边球形封头 。
设计原则: 以筒体薄膜应力为基准 ，引入应力增强系数
• Q为应力增强系数 GB 150--1998
五、锥形封头
❖广泛用于化工设备(如蒸发器 、喷雾干燥器、结晶器及沉降 器等)的底盖
❖便于收集与卸除设备中的固体 物料。
❖塔设备上、下部分的直径不等 , 也常用锥形壳体连接, 称为变 径段。
（一）无折边锥形封头或锥形筒体
适用于锥壳半锥角a 300 1.锥壳大端 a. 查图，大端是否须加强
椭圆形封头最大允许工作压力
标准椭圆形封头的直边高度由表10-2确定。
封头 材料
封头 壁厚
碳素钢、普低钢
、
不锈钢、耐酸钢
4～8复1合01～8钢板≥20
3～ 9
10～ 18
≥20
直边 高度
25 40 50 25 40 50
三、碟形封头
又称带折边球形封头, 球 面半径Ri、过渡圆弧半 径r和高度为h的直边 。
和方形等, ❖相同(R／d)和受载下, 薄板应力
比薄壳大得多, 即平板封头比凸 形封头厚得多。
❖平板封头结构简单, 制造方便, 在压力不高, 直径较小的容器中 采用。承压设备人孔、手孔以 及在操作时需要用盲板封闭的 地方, 才用平板盖。
❖高压容器平板封头用得较为普 遍。
平盖系数K查表局部加强, 计算壁厚为
c. 需加强, 以降低联接 处的局部应力。锥壳 加强段和圆筒加强段 厚度相同
压力容器封头设计要求
压力容器封头设计要求压力容器是用于贮存或输送液体、气体或气液混合物的容器，其封头是连接在容器上的重要部分，其设计要求直接关系到容器的安全性和稳定性。
以下是压力容器封头设计的一些要求。
1.强度要求：封头必须具备足够的强度和刚度，以承受容器内部的压力和外部负荷。
封头的厚度、材料和构造应根据容器的工作压力、温度和介质性质来确定。
2.密封性能要求：封头应具备良好的密封性能，以确保容器不发生泄漏和渗漏。
封头与容器之间应采用适当的密封结构，如法兰、螺纹连接等。
可以采用可靠的密封材料，如橡胶垫片、金属垫片等，来提高密封性能。
3.抗腐蚀性要求：封头应具备抗腐蚀性能，以适应不同工作环境下的介质腐蚀。
封头选用的材料应根据介质的腐蚀性来选择，如不锈钢、合金钢等。
4.安全防护要求：封头设计应考虑容器的安全防护要求，如防爆、防火等。
必要时可以在封头上设置压力释放装置，以避免发生爆炸或压力过高。
5.结构合理性要求：封头的结构设计应合理，以确保制造工艺和安装方便。
封头的几何形状、连接方式和加工工艺应考虑到生产成本和制造工艺能力。
6.检测和检验要求：封头在制造完成后需要进行检测和检验，以确保其达到设计要求和质量标准。
常用的检测方法包括尺寸检查、可视检查、超声波检测、放射性检测等。
7.标志和标识要求：封头在制造过程中需要注明相关的标志和标识，以确保用户正确使用和安装。
标志和标识内容包括容器规格、压力等级、材料标记、制造单位等。
总之，压力容器封头设计要求很多，主要涉及强度、密封性能、抗腐蚀性、安全防护、结构合理性、检测和检验以及标志和标识等方面。
在封头设计过程中，需要综合考虑这些要求，并根据具体情况进行合理的选择和设计，以确保压力容器的安全稳定运行。
内压容器封头的设计
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。
δ
=
pc Di K
2[σ]t φ－0.5
pc
mm
式中：K为封头形状系数，与Di 2hi 有关。对于一般椭圆封头
K
=
1 [2 +
δ
Di
δ
Di
δr
2α
2α
Dis
图10-7 无局部加强的无折 边锥形封头
Dis
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
δr rs
α
h
H
60° d
图10-9 大端折边锥形封头
r
δ
Di
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
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。
无折边锥形封头： σm
=
PD 4δ
×
1 cosα
，σ
θ
=
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。
浅析压力容器封头及其一次成型冲压技术
浅析压力容器封头及其一次成型冲压技术摘要：封头是压力容器的重要元件，其产品质量的好坏直接关系到压力容器的安全性。
本文介绍了压力容器封头的结构，提高了封头和管道之间焊接效率和质量，又介绍了封头的一次成型冲压技术，使操作便捷简单有效提升了封头的生产效率。
关键词：封头、限位、焊接、成型、冲压引言椭圆形封头又名椭圆封头，是指由半个椭圆壳及直边(圆筒短节)构成的封头，它吸取了半球形封头受力好和碟形封头深度浅的优点。
一般在管道到头了，不准备再延伸了，就用封头焊到管子上，做为一个末端来使用，还有就是用在压力容器上，上下各有一个封头，中间是一个直管段，做为压力容器的罐子用。
椭圆形封头是压力容器中最常用的一种封头。
1、封头使用及制造过程中存在的问题封头的主要作用就是连接管道和密封的作用，但是原有的封头在连接管道时多数是采用焊接，并且焊接的时候由于封头无法得到预定位，容易出现偏移的情况。
封头制造时，通常是先将用于制造封头的平板毛坯放置到加热炉里加热，再将加热完成后的平板毛坯放置在冲压机下方，通过模具进行冲压成型。
成型后的封头端口向上且底部嵌入模具的成型孔中，在将封头从模具上卸下时较为麻烦，费时费力。
2、封头的结构介绍封头包括封头本体和一体成型在封头本体上的连接筒部，连接筒部位于封头本体的凹面边缘，且呈圆筒状，连接筒部的外周壁上一体成型有若干呈弧形的限位片，限位片环形阵列分布在连接筒部的外侧，限位片远离连接筒部的一端朝向封头本体的中心轴线设置，限位片用于在封头预定位时提供朝向其中心轴线的作用力。
连接筒部远离封头本体的一端固定连接有一圈嵌筒部，嵌筒部的内径与连接筒部的内径相同，且嵌筒部的外径小于连接筒部的外径，嵌筒部的外圈远离连接筒部一端设有一圈导向斜面。
连接筒部与嵌筒部的长度之和小于限位片的长度，限位片与嵌筒部之间形成嵌槽。
连接筒部内圈固定连接有隔板，隔板、封头本体以及连接筒部之间形成空腔，隔板包括与连接筒部内圈固定连接的连接环片以及与连接环片内圈固定连接的圆锥部，圆锥部的凸面远离封头本体设置。
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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。
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。也称无折边球形封头。 封头的焊接结构如图10-4所示。
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
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
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。DiδDi来自∠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：
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
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
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
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。
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。