第四节封头的设计
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化工设备设计基础封头设计
化工设备设计基础封头设计1. 引言封头是化工设备中的重要组成部分，其设计直接关系到设备的性能和安全性。
本文将介绍化工设备封头设计的基本原理和方法，包括封头的种类、尺寸计算、材料选择等内容。
2. 封头的种类常见的化工设备封头种类有以下几种：•扁平封头：适用于较小直径的设备，例如储罐的端盖。
•半球封头：圆弧半径与直径相等，具有良好的承压性能，适用于高压容器。
•椭圆封头：半径不等的两个椭圆形组成，适用于一些高度限制较大的设备。
•球缺封头：圆弧半径与直径的比值小于0.1，适用于低压容器。
•焊接封头：由多个标准封头零件组装而成，适用于大直径的设备。
3. 封头的尺寸计算封头的尺寸计算是封头设计的重要环节，它直接决定了封头的承压性能和稳定性。
以下是封头尺寸计算的一般步骤：1.确定设备的工作压力和温度。
2.根据设备的工作压力选择合适的封头种类。
3.根据设备的直径计算封头的最小厚度和凸台高度。
4.根据设备的工作温度选择合适的材料，确定封头的材料厚度。
5.检查封头的计算结果是否符合设计要求，如不符合，重新计算。
4. 封头的材料选择封头的材料选择是封头设计中的关键步骤。
常见的封头材料有以下几种：•不锈钢：具有良好的耐腐蚀性和韧性，适用于大多数化工设备。
•碳钢：价格较低，但耐腐蚀性较差，适用于一些一般性的化工设备。
•铜：具有优良的导热性和电导性，适用于热交换设备等。
•铝合金：重量轻，导热性能好，适用于一些对重量要求较低的设备。
在选择封头材料时，需要考虑设备的工作条件、介质的性质以及经济性等因素。
5. 结论封头设计是化工设备设计中的重要环节，它直接关系到设备的性能和安全性。
本文介绍了化工设备封头设计的基本原理和方法，包括封头的种类、尺寸计算和材料选择等内容。
希望读者通过本文的学习，能够对化工设备封头设计有更深入的了解，并在实际工作中能够正确应用。
内压圆筒封头的设计
14.2(MPa)
该容器的最大安全使用压力为14.2 Mpa。
表4-15平板封头系数K
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，即系数在 0.188~0.13之间.
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为：
Ri=0.7~1.0Di
球冠形封头的设计
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 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。
受内压球冠形封头的计算壁厚按下式计 算：
S
QPcDi
2 t Pc
边缘（图3-25），其值由下式计算：
max
3 4
P
R S
2
3 16
P
D S
2
0.188P
D S
2
（3-33）
对于周边简支受均布载荷的圆平板
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：
max
33
m
8
P
R S
2
当取0.3时
（３）若用标准碟形封头,其壁厚按4-2４计算
S
1.2PcDi
2 t 0.5Pc
1.2 2.2 600 21701.0 0.5 2.2
4.67(mm)
Sd S C2 4.67 1.0 5.67(mm)
Sd C1 5.67 0.25 5.92(mm)
该容器的最大安全使用压力为14.2 Mpa。
表4-15平板封头系数K
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，即系数在 0.188~0.13之间.
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为：
Ri=0.7~1.0Di
球冠形封头的设计
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 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。
受内压球冠形封头的计算壁厚按下式计 算：
S
QPcDi
2 t Pc
边缘（图3-25），其值由下式计算：
max
3 4
P
R S
2
3 16
P
D S
2
0.188P
D S
2
（3-33）
对于周边简支受均布载荷的圆平板
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：
max
33
m
8
P
R S
2
当取0.3时
（３）若用标准碟形封头,其壁厚按4-2４计算
S
1.2PcDi
2 t 0.5Pc
1.2 2.2 600 21701.0 0.5 2.2
4.67(mm)
Sd S C2 4.67 1.0 5.67(mm)
Sd C1 5.67 0.25 5.92(mm)
球冠形封头
Dc 锥壳大端直径
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）。
外压薄壁圆筒与封头的强度设计课件
一、临界压力
承受外压的容器在外压达临界值之前，壳体也能发生弹性 压缩变形；压力卸除后壳体可恢复为原来的形状。一旦当 外压力增大到某一临界值时，筒体的形状发生永久变形， 就失去了原来的稳定性。
导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力， 以Pcr表示。
筒体在临界压力作用下，筒壁内存在的压应力 称为临界压应力，以σcr表示。
二、外压圆筒壁厚设计的图算法
1. 算图的由来
若将失稳时的环向应变与允许工作外压的关系曲线找出来， 那么就可能通过失稳时的环向应变ε为媒介，将圆筒的尺寸 （D0、Se、L）与允许工作外压直接通过曲线图联系起来。
[p] p cr m
pcr m[p]
Ectr 2pcSerD E0t m 2S[eEpt0]D
【注意】钢材的E和μ值相差不大，选用高强度钢代替一般碳钢制造外压 容器，不能提高筒体的临界压力。
3. 筒体椭圆度和材料不均匀
稳定性破坏主要原因不是壳体存在椭圆度或材料不均匀。因为即使壳体 的形状很精确和材料很均匀，当外压力达到一定数值时也会失稳。
壳体的椭圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的数值降低，即能使失 稳提前发生。
二、外压圆筒壁厚设计的图算法
2. 外压圆筒和管子壁厚的图算法
⑴ 对D0/Se≥20（薄壁）的圆筒和管子
④ 根据所用材料选用图11-4～11-9，在图下方找出由③所得的系数A。
若A值落在设计温度下材料线的右方，则过此点垂直上移，与设计
温度下的材料线相交（遇中间温度值用内插法），再过此交点沿
水平方向右移，在图的右方得到系数B，并按下式计算许用外压力
D0
D0
短圆筒应变
二、外压圆筒壁厚设计的图算法
1. 算图的由来
外压圆筒失稳时，筒壁的环向应变值与筒体几何尺寸（Se，D0，L）之间 的关系
化工设备机械基础—— 封头的设计
L1
Dis r cosa
L Disr
锥形封头的小端与接口管相连， 一般不加过渡弧，但接口管应 增厚，厚度取锥体厚度，加厚 的长度：
l 0.5Dis
六、平板封头
❖化工设备常用的一种封头。
❖圆形、椭圆形、长圆形、矩形 和方形等，
❖相同(R／)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。
P Dc
Kp
t
平盖系数K查表4-14
例题4-4：确定例题4-2精馏塔封头型式与尺寸。
该塔Di=600mm；设计压力p＝2.2MPa；工作
椭圆形封头最大允许工作压力
p 2 te
KDi 0.5e
标准椭圆形封头的直边高度由表4-11确定。
封头 材料
碳素钢、普低钢、 复合钢板
不锈钢、耐酸钢
封头 壁厚
4～8
10～ 18
≥20
3～ 9
10～ 18
≥20
直边 高度
25 40 50 25 40 50
㈡受外压（凸面受压）椭圆形封头
外压椭圆形封头厚度设计步骤同外压圆筒。
b. 不必局部加强，计算 壁厚同大端
pDis
2 t
p
1
cosa
c. 需加强，加强段和 圆筒加强段厚度相同
r
QpDis
2 t
p
Q为锥壳与圆筒联接 处的应力增值系数， 查图4-29
L1
Dis r cosa
L Disr
3、无折边锥壳的厚度
化工设备机械基础(第四版)第5章 外压圆筒与封头的设计
2S e[ ]t压 [ pw ] Di S e
5.4
临界长度Lcr
实际的外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可根据临界长度Lcr来判定。
当圆筒处于临界长度Lcr时，则用长圆筒公式计算所得的临界压力Pcr 值和用短圆筒公式计算的临界压力Pcr值应相等。
t Se 2.2 E D 0
• 但由于各种钢材的弹性模量与泊桑比相差不大，因此选用高强度钢
代替一般碳钢制造外压容器，并不能有效提高圆筒的临界压力。
(3). 筒体椭圆度和材料的不均匀性
5. 外压圆筒的分类
5.1 长圆筒
• 当筒体足够长，两端刚性较高的封头对筒体中部的变形不 能起到有效支撑作用时，这类圆筒最容易失稳压瘪，出现
波纹数n=2的扁圆形。这种圆筒称为长圆筒。
2. 外压容器的失稳现象
• 外压圆筒的压缩应力还在远远低于材料的屈服点时，筒壁就已经突 然被压瘪或发生褶皱，即在某一瞬间失去原来的形状，这种在外压作 用下，突然发生的圆筒失去原形，即突然失去原来的稳定性的现象称 为弹性失稳； • 弹性失稳是从一种平衡态跃变为另一种平衡状态，实际上是容器筒壁 内的应力状态由单纯的压应力平衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡。
t D0 2.5E L cr
3
S e D 0
2.5
Lcr 1.17 Do
Do Se
Lcr
1.3E t S e [ ]
t 压
• 当L>Lcr时，长圆筒； • L‘cr<L<Lcr时，短圆筒； • 若L<L'cr时，刚性圆筒。
D0 Se
•例 题
某一钢制圆筒，外径为Do=1580mm，高L=7060mm（切
第四章-3.3 封头设计
半球形封头厚度计算公式:
p c Di δ = 4[σ ]t φ p c (4-40)
式中 Di—球壳的内直径,mm.
适用范围:为满足弹性要求,适用Pc≤0.6[σ]tφ,相当于K≤1.33 6
4.3.3.1 凸形封头
4.3.3.1 凸形封头
过程设备设计
2.受外压的半球形封头 工程上:图算法. 推导过程:钢制半球形封头弹性失稳的临界压力为:
Ri ) r
(4-48)
据此,由半球壳厚度计算式乘以M可得碟形封头的厚 据此,由半球壳厚度计算式乘以M可得碟形封头的厚 度计算式 度计算式
M p c Ri δ = 2[σ ] t φ 0 .5 p c
椭圆形封头
δ=
(4-49)
Kp c D i 2[σ] t φ 0.5p c
(420 45)
4.3.3.1 凸形封头
4.3.3.1 凸形封头
过程设备设计
M =
20 ( ri / R i ) + 3 20 ( ri / R i ) + 1
式(4-48)
图4-17 碟形封头的应力增强系数
21
4.3.3.1 凸形封头
4.3.3.1 凸形封头
过程设备设计
(1)受内压(凹面受压)碟形封头 (1)受内压(凹面受压)碟形封头 承受内压碟形封头的最大允许工作压力:
9
4.3.3.1 凸形封头
4.3.3.1 凸形封头
过程设备设计
二,椭圆形封头 二,椭圆形封头
10
4.3.3.1 凸形封头
过程设备设计
二,椭圆形封头(续) 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.
第三章第四节内压圆筒封头的设计
第三章第四节内压圆筒封头的设计
内压圆筒封头是圆筒状的封头，其用途主要用于密封设备的内部，改善设备的运行环境，它的设计有着复杂的要求，需要考虑到许多因素，以下是关于内压圆筒封头设计的基本要素。
一、结构特点
内压圆筒封头主要由内圆筒壳、内衬和外圆筒壳组成，由于受到内压的作用，其组件之间的张力分布很不均匀，所以其结构特性也不一样，这就要求内压圆筒封头的设计必须考虑结构特性的影响。
二、强度要求
内压圆筒封头因受内压作用，其强度要求非常高，特别是外圆筒壳和内圆筒壳之间的夹紧部位，必须考虑到其强度要求，在设计时要特别注意这一点。
三、密封性能要求
内压圆筒封头的主要功能是密封，其密封性能也是设计时非常重要的考虑因素，必须考虑到材料、管道的内外径及长度，以及管道内部压力的大小等，都要综合考虑密封性能要求。
四、施工性能要求
内压圆筒封头的施工性能要求也是不容忽视的，因为它会影响封头的安装流程，包括其可拆卸性、安装工具的种类、具体施工步骤等，都需要设计时提前考虑。
总之，内压圆筒封头的设计非常复杂，综合考虑了结构特点、强度要求、密封性能要求、施工性能要求等诸多因素。
化工设备设计基础封头设计方案
化工设备设计基础封头设计方案一、引言化工设备中的封头是一种常见的构件，用于封闭容器或管道的端部。
封头的设计对于化工设备的性能和安全具有重要影响。
本文将介绍化工设备封头设计的基础理论和设计方案。
二、封头的分类和应用封头可以根据其形状和用途进行分类。
常见的封头类型有平封头、球形封头、圆锥封头、扁平封头等。
不同类型的封头适用于不同的容器和管道。
封头的设计是根据化工设备的工作条件和要求来确定的。
例如，扁平封头适用于低压容器，球形封头适用于高压容器。
封头的材料选择和厚度计算也需要根据设备的工作条件和介质特性来决定。
三、封头的基本结构和应力分析封头的基本结构由内凸面、外凸面和边缘组成。
在设计封头时，需要考虑材料的强度和稳定性。
应力分析是封头设计中的关键步骤之一。
应力分析可以通过有限元方法进行。
将封头的几何模型转化为有限元模型，并施加相应载荷条件，可以得到封头内部的应力分布情况。
根据应力分布结果，可以评估封头的结构是否满足强度和稳定性要求。
四、封头的厚度计算封头的厚度是封头设计的关键参数。
封头的厚度需要满足静态和动态条件下的强度要求，以及避免塑性变形引起的失效。
根据封头的形状和应力分布结果，可以进行厚度计算。
常用的厚度计算方法有经验公式法、材料力学性能法和有限元分析法等。
根据实际情况选择合适的方法，并考虑安全系数，可以得到合理的封头厚度。
五、封头的制造工艺和质量控制封头的制造工艺需要考虑材料的可加工性和成本因素。
常见的封头制造工艺有冷冲压、热冲压和拼接等。
不同的制造工艺对于封头的性能和外观有不同的影响。
质量控制是封头制造过程中的重要环节。
通过对材料、制造工艺和产品的检测和控制，可以确保封头的质量和性能符合设计要求。
常见的质量控制方法包括无损检测、尺寸测量和力学性能测试等。
六、结论化工设备封头设计是一项复杂的工作，需要考虑材料的强度、稳定性和可加工性等因素。
合理的封头设计可以提高设备的性能和安全性。
在封头设计中，应重视应力分析和厚度计算，以确保封头的强度和稳定性满足要求。
第四章 外压圆筒与封头的设计-加强圈的设计
2014-3-31
b
b
4.5外压圆筒加强圈的设计
惯性矩平移定理： z：过截面形心 z1：与z平行，相距a A：截面面积 Iz：截面对z轴的惯性矩 截面对z1轴的惯性矩Iz1：
z
z1
a
I z1 I z a 2 A
2014-3-31
( I s ) A I A d As
2
式中，IA—加强圈对中性轴x0的惯性矩（可查表）
0
（2）A1的确定：
c x1 b b
d x a
A1 2b e
b 0.55 DO e
2014-3-31
5.5 外压圆筒加强圈的设计
（3）确定Is Is—组合截面对中性轴x轴的惯性矩
I s (I s ) A (I s ) B
组合截面对x轴的惯性矩IS等于角钢对x轴的惯性矩(IS)A 和矩形截面对x轴惯性矩(Is)B之和。 x0 z0 d x c a x1
7、Is的计算 （1）确定组合截面中形心轴的位置 x0：角钢的中性轴 x1：矩形截面的中性轴 x：组合截面的中性轴
x0
z0
c
x1 b b
d x a
2014-3-31
5.5 外压圆筒加强圈的设计
组合截面中性轴的位置：
As c a As A1
a—x轴到x1轴间距； A1--矩形截面积 As--角钢和矩形截面面积（可查表） c—x1到x0轴间距 x z0
z0
3PDO A 2( e s ) E t L
（式5-5）
c
d x a
x1
b
b
将5-5带入5-3，整理得 结论：Et为常数时，I与As（加强圈截面积）无关。 注：I与As无关的条件： 碳钢制真空容器，t≤425℃
b
b
4.5外压圆筒加强圈的设计
惯性矩平移定理： z：过截面形心 z1：与z平行，相距a A：截面面积 Iz：截面对z轴的惯性矩 截面对z1轴的惯性矩Iz1：
z
z1
a
I z1 I z a 2 A
2014-3-31
( I s ) A I A d As
2
式中，IA—加强圈对中性轴x0的惯性矩（可查表）
0
（2）A1的确定：
c x1 b b
d x a
A1 2b e
b 0.55 DO e
2014-3-31
5.5 外压圆筒加强圈的设计
（3）确定Is Is—组合截面对中性轴x轴的惯性矩
I s (I s ) A (I s ) B
组合截面对x轴的惯性矩IS等于角钢对x轴的惯性矩(IS)A 和矩形截面对x轴惯性矩(Is)B之和。 x0 z0 d x c a x1
7、Is的计算 （1）确定组合截面中形心轴的位置 x0：角钢的中性轴 x1：矩形截面的中性轴 x：组合截面的中性轴
x0
z0
c
x1 b b
d x a
2014-3-31
5.5 外压圆筒加强圈的设计
组合截面中性轴的位置：
As c a As A1
a—x轴到x1轴间距； A1--矩形截面积 As--角钢和矩形截面面积（可查表） c—x1到x0轴间距 x z0
z0
3PDO A 2( e s ) E t L
（式5-5）
c
d x a
x1
b
b
将5-5带入5-3，整理得 结论：Et为常数时，I与As（加强圈截面积）无关。 注：I与As无关的条件： 碳钢制真空容器，t≤425℃
第三章第四节 内压圆筒封头的设计
S
QPcDi 2 Pc
t
3-29
最大角度，α 图3-32确定锥体大端与筒体 连接处的加强图
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； 0.5DiSr 2 cos 圆筒加强段的长度应不小于。
2 0.5DiSr
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。
h1 h2
DN
R
r
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： Ri≤0.9Di r=0.17Di
碟形封头过渡圆弧与球面联接处的 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：
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
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。
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。
受内压的锥形封头的最大应力在锥壳的 大端，其值为： max PD 1
2S cos
PD 1 t max 2S cos 其强度条件为：
由此可得计算壁厚公式为：
1 Sc t 2 Pc cos PcDc
3-28
锥形封头的受力分析
《封头的设计》课件
三维建模软件，适用于 复杂零件和装配体的设
计和分析。
ANSYS
有限元分析软件，可以 对封头进行应力、应变
分析和优化。
Inventor
全参数化三维建模软件 ，适用于复杂机械零件 和装配体的设计和分析
。
04
封头的制造工艺与质量控制
制造工艺
下料
根据设计图纸，使用切割或剪 切设备将材料切割成相应的形 状和尺寸。
按用途分类
压力容器用封头
适用于各种压力容器，如 反应器、热交换器等，要 求具有较高的耐压性能和 密封性能。
管道用封头
适用于各种管道系统，要 求具有良好的密封性能和 耐腐蚀性能。
设备用封头
适用于各种设备，如储罐 、分离器等，要求具有较 好的密封性能和耐压性能 。
按材料分类
金属封头
如不锈钢、碳钢、铜等，具有良 好的耐压性能和密封性能，但成 本较高。
各种精密仪器和设备，保证其正常运转和工作。
02
封头的分类与特点
按形状分类
01
02
03
圆形封头
具有几何形状简单、方便 加工制造、受力性能好等 优点，广泛应用于各种压 力容器和管道系统中。
椭圆形封头
介于圆形和矩形之间，受 力性能优于圆形封头，但 制造难度较大，应用不如 圆形封头广泛。
矩形封头
适用于压力容器内部结构 较为复杂或需要特定形状 的场合，但制造难度较大 ，且受力性能较差。
封头的应用场景
总结词
封头广泛应用于化工、制药、食品、电子和航空航天等领域，是保证容器密封性和纯度 的重要部件。
详细描述
封头因其良好的密封性能和广泛的适用性，被广泛应用于各个领域。在化工和制药领域 ，封头用于各种压力容器和储罐，保证化学物质的纯度和安全性。在食品工业中，封头 用于包装容器和管道，保证食品的卫生和安全。在电子和航空航天领域，封头用于封闭
计和分析。
ANSYS
有限元分析软件，可以 对封头进行应力、应变
分析和优化。
Inventor
全参数化三维建模软件 ，适用于复杂机械零件 和装配体的设计和分析
。
04
封头的制造工艺与质量控制
制造工艺
下料
根据设计图纸，使用切割或剪 切设备将材料切割成相应的形 状和尺寸。
按用途分类
压力容器用封头
适用于各种压力容器，如 反应器、热交换器等，要 求具有较高的耐压性能和 密封性能。
管道用封头
适用于各种管道系统，要 求具有良好的密封性能和 耐腐蚀性能。
设备用封头
适用于各种设备，如储罐 、分离器等，要求具有较 好的密封性能和耐压性能 。
按材料分类
金属封头
如不锈钢、碳钢、铜等，具有良 好的耐压性能和密封性能，但成 本较高。
各种精密仪器和设备，保证其正常运转和工作。
02
封头的分类与特点
按形状分类
01
02
03
圆形封头
具有几何形状简单、方便 加工制造、受力性能好等 优点，广泛应用于各种压 力容器和管道系统中。
椭圆形封头
介于圆形和矩形之间，受 力性能优于圆形封头，但 制造难度较大，应用不如 圆形封头广泛。
矩形封头
适用于压力容器内部结构 较为复杂或需要特定形状 的场合，但制造难度较大 ，且受力性能较差。
封头的应用场景
总结词
封头广泛应用于化工、制药、食品、电子和航空航天等领域，是保证容器密封性和纯度 的重要部件。
详细描述
封头因其良好的密封性能和广泛的适用性，被广泛应用于各个领域。在化工和制药领域 ，封头用于各种压力容器和储罐，保证化学物质的纯度和安全性。在食品工业中，封头 用于包装容器和管道，保证食品的卫生和安全。在电子和航空航天领域，封头用于封闭
封头的设计
但为焊接方便以及降低边缘压力,半 球形封头常和筒体取相同的厚度。 受外压的球形封头的厚度设计，计算 步骤同椭圆形封头。球壳外半径
R0=K1 D0，其中 K1 =0.5
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.
相同受力，碟形封头壁 厚比椭圆形封头壁厚 要大些，而且碟形封 头存在应力不连续， 因此没有椭圆形封头 应用广泛。
p 2 te
KDi 0.5e
标准椭圆形封头的直边高度由表4-11确定.
封头 材料
碳素钢、普低钢、 复合钢板
不锈钢、耐酸钢
封头 壁厚
4～8
10～ 18
≥20
3～ 9
10～ 18
≥20
直边 高度
25 40 50 25 40 50
㈡受外压（凸面受压）椭圆形封头 外压椭圆形封头厚度设计步骤同外
压圆筒.
a.假设n,计算e＝n-C,算出D0。 K1 由长短轴比值决定,
标准椭圆形封头K1 =0.9
b. 计算系数
A
0.125
R0 / e
[ p] B
R0 / e
c. 根据材料,从A-B图（图4-16至图 4-20）中选用，若A值落在设计 温度线的右方，读出B值计算许用
定该锥形底的壁厚及接口管尺寸。
半锥角>300,锥底大端带折边.折边内半径
r=0.15Di = 180mm。锥体壁厚计算：
d
fpDi
t 0.5 p
C1
C2
f 0.645(表4 13）
p 1.31.2 1.6MPa(防爆膜)
Di 1200 mm 300 78MPa 1 C2 0
椭圆形封头壁厚： d
2
R0=K1 D0，其中 K1 =0.5
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.
相同受力，碟形封头壁 厚比椭圆形封头壁厚 要大些，而且碟形封 头存在应力不连续， 因此没有椭圆形封头 应用广泛。
p 2 te
KDi 0.5e
标准椭圆形封头的直边高度由表4-11确定.
封头 材料
碳素钢、普低钢、 复合钢板
不锈钢、耐酸钢
封头 壁厚
4～8
10～ 18
≥20
3～ 9
10～ 18
≥20
直边 高度
25 40 50 25 40 50
㈡受外压（凸面受压）椭圆形封头 外压椭圆形封头厚度设计步骤同外
压圆筒.
a.假设n,计算e＝n-C,算出D0。 K1 由长短轴比值决定,
标准椭圆形封头K1 =0.9
b. 计算系数
A
0.125
R0 / e
[ p] B
R0 / e
c. 根据材料,从A-B图（图4-16至图 4-20）中选用，若A值落在设计 温度线的右方，读出B值计算许用
定该锥形底的壁厚及接口管尺寸。
半锥角>300,锥底大端带折边.折边内半径
r=0.15Di = 180mm。锥体壁厚计算：
d
fpDi
t 0.5 p
C1
C2
f 0.645(表4 13）
p 1.31.2 1.6MPa(防爆膜)
Di 1200 mm 300 78MPa 1 C2 0
椭圆形封头壁厚： d
2
《封头的设计》课件
《封头的设计》PPT课件
封头是容器的一种重要组件。本课程将为您介绍封头的不同类型、设计方法、 材料选择和质量检测，以及在化工、石油和食品等多种工业中的应用案例。 欢迎来学习这个有趣而实用的话题！
什么是封头？
1 封头简介
2 封头的分类
封头是盖住容器的物件，可轻松封住各种 形状的容器。它是容器的紧要部分，因为 它保护了容器内的物品。封头通常由金属 制成。
封头的方案设计实例
封头的方案实例包括开发以减缓风荷载对离心式 泵及其附属设备的振动，提高其可靠性和稳定性。
封头的应用案例
1. 2. 3.
应用案例
封装水箱中经常使用的封头，具有防护和改变 工作状态的优点。
封头被广泛应用在许多为不同的装置提供防屏 障的系统中。
封头在最新的医疗器械设计及其水平上有显著 应用，保障了医生们的创新理念。
结语
封头设计发展趋势
未来封头的发展趋势是更加自动化、柔性化 和绿色化，在外形美观和节约成本等方面做 出更大的努力。
封头设计的未来前景
封头设计方向应该朝向“轻量化、智能化、数 字化”，明确符合人们的需求，提高封头的性 能与品质。
封头的材料选择
封头材料选择的原则
封头材料需要具备良好的耐蚀、耐磨和耐受力能力，具体情况需要根据容器使用的压力、温 度和容积等因素来选择。
常用封头材料
不锈钢、碳钢、合金钢、钛合金、铝合金普遍被用作封头的材料。
封头的制造工艺
1
缩径法制造封头
缩径法制造封头是由于金属板在局部加热后，经过缩径过程而成。
2
冲压法制造封头
冲压法是一种通过高压冲击而成型的工艺。它通常用于制造球形罐、反应 器中，承受高温和高压的化 学介质。
石油天然气工业
封头是容器的一种重要组件。本课程将为您介绍封头的不同类型、设计方法、 材料选择和质量检测，以及在化工、石油和食品等多种工业中的应用案例。 欢迎来学习这个有趣而实用的话题！
什么是封头？
1 封头简介
2 封头的分类
封头是盖住容器的物件，可轻松封住各种 形状的容器。它是容器的紧要部分，因为 它保护了容器内的物品。封头通常由金属 制成。
封头的方案设计实例
封头的方案实例包括开发以减缓风荷载对离心式 泵及其附属设备的振动，提高其可靠性和稳定性。
封头的应用案例
1. 2. 3.
应用案例
封装水箱中经常使用的封头，具有防护和改变 工作状态的优点。
封头被广泛应用在许多为不同的装置提供防屏 障的系统中。
封头在最新的医疗器械设计及其水平上有显著 应用，保障了医生们的创新理念。
结语
封头设计发展趋势
未来封头的发展趋势是更加自动化、柔性化 和绿色化，在外形美观和节约成本等方面做 出更大的努力。
封头设计的未来前景
封头设计方向应该朝向“轻量化、智能化、数 字化”，明确符合人们的需求，提高封头的性 能与品质。
封头的材料选择
封头材料选择的原则
封头材料需要具备良好的耐蚀、耐磨和耐受力能力，具体情况需要根据容器使用的压力、温 度和容积等因素来选择。
常用封头材料
不锈钢、碳钢、合金钢、钛合金、铝合金普遍被用作封头的材料。
封头的制造工艺
1
缩径法制造封头
缩径法制造封头是由于金属板在局部加热后，经过缩径过程而成。
2
冲压法制造封头
冲压法是一种通过高压冲击而成型的工艺。它通常用于制造球形罐、反应 器中，承受高温和高压的化 学介质。
石油天然气工业
化工机械基础10-4封头的设计
受力情况
考虑封头在压力容器中的受力情况，包括压力、温度、重力等，选 择能够承受相应载荷的封头结构形式。
制造工艺
根据制造工艺的要求，选择易于加工、焊接和检验的封头结构形式。
几何尺寸确定方法
内径和外径
根据压力容器的内径和外径，确 定封头的内径和外径。通常，封 头的内径与压力容器的内径相同， 外径则根据壁厚和制造工艺要求
安全系数是指封头实际强度与计算强度之比，用于衡量封头的安 全裕度。
安全系数的取值范围
根据相关标准或规范，安全系数一般取1.1~1.5之间。具体取值应 根据容器的重要性、使用条件、制造工艺等因素综合考虑。
安全系数的影响因素
封头材料性能、制造工艺、检验标准等因素都会对安全系数产生影 响。因此，在确定安全系数时应充分考虑这些因素。
确定。
壁厚
根据压力容器的设计压力和温度， 以及材料的许用应力，计算封头 的最小壁厚。同时，还需考虑制
造工艺和腐蚀裕量等因素。
高度
根据封头的结构形式和制造工艺 要求，确定封头的高度。对于椭 圆形封头和碟形封头，高度通常 取内径的1/4~1/6；对于球形封
头，高度则为半径。
连接方式及密封性能要求
连接方式
对容易。
碟形封头
无折边球形封头
形状类似碟子，制造简 单，但受力状况较差。
由整块钢板压制而成， 无折边，受力状况良好。
选用原则与注意事项
选用原则 根据压力容器的设计压力、温度、介质等工艺条件选择合适的封头类型。
考虑制造、检验、运输和安装等方面的要求。
选用原则与注意事项
• 在满足使用要求的前提下，尽量降低制造成本。
采用先进的加工设备和工艺，确保封头的 尺寸精度和表面质量达到设计要求。
考虑封头在压力容器中的受力情况，包括压力、温度、重力等，选 择能够承受相应载荷的封头结构形式。
制造工艺
根据制造工艺的要求，选择易于加工、焊接和检验的封头结构形式。
几何尺寸确定方法
内径和外径
根据压力容器的内径和外径，确 定封头的内径和外径。通常，封 头的内径与压力容器的内径相同， 外径则根据壁厚和制造工艺要求
安全系数是指封头实际强度与计算强度之比，用于衡量封头的安 全裕度。
安全系数的取值范围
根据相关标准或规范，安全系数一般取1.1~1.5之间。具体取值应 根据容器的重要性、使用条件、制造工艺等因素综合考虑。
安全系数的影响因素
封头材料性能、制造工艺、检验标准等因素都会对安全系数产生影 响。因此，在确定安全系数时应充分考虑这些因素。
确定。
壁厚
根据压力容器的设计压力和温度， 以及材料的许用应力，计算封头 的最小壁厚。同时，还需考虑制
造工艺和腐蚀裕量等因素。
高度
根据封头的结构形式和制造工艺 要求，确定封头的高度。对于椭 圆形封头和碟形封头，高度通常 取内径的1/4~1/6；对于球形封
头，高度则为半径。
连接方式及密封性能要求
连接方式
对容易。
碟形封头
无折边球形封头
形状类似碟子，制造简 单，但受力状况较差。
由整块钢板压制而成， 无折边，受力状况良好。
选用原则与注意事项
选用原则 根据压力容器的设计压力、温度、介质等工艺条件选择合适的封头类型。
考虑制造、检验、运输和安装等方面的要求。
选用原则与注意事项
• 在满足使用要求的前提下，尽量降低制造成本。
采用先进的加工设备和工艺，确保封头的 尺寸精度和表面质量达到设计要求。
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椭圆形封头壁厚：
p＝2.2MPa；Di=600mm；
[s]20=170MPa；j=1.0，
C2=1.0mm 考虑钢板厚度负偏差，取C1=0.6mm
（估计壁厚6mm） 代入并经圆整后用dn=6mm钢板。
例题4-5：不锈钢反应釜操作压力1.2MPa，内径 1.2m，下部为带折边锥底，其半锥顶角为45°。 出料管公称直径200mm，釜壁温度为300℃，试 确定该锥形底的壁厚及接口管尺寸。
❖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பைடு நூலகம்封头或锥形筒体
适用于锥壳半锥角a300
1、锥壳大端 a. 查图4-26，大端是否须加 强
b. 不必局部加强，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
Q为锥壳与圆筒联接 处的应力增值系数， 查图4-27
2、锥壳小端 a. 查图4-28，小端是否须加强
b. 不必局部加强，计算 壁厚同大端
c. 需加强，加强段和 圆筒加强段厚度相同
Q为锥壳与圆筒联接 处的应力增值系数， 查图4-29
3、无折边锥壳的厚度
锥壳厚度 （4-36）
（4-36） （4-37） （4-38） 统一厚度
＝-3～-20℃，dn=7mm。
工艺操作对封头形状无特殊要求。 球冠形封头、平板封头边缘应力较大 ，平板封头厚度较大，故不宜采用。 理论上对凸形封头计算后，再确定封 头型式。
半球形封头受力最好，壁厚最薄、重 量轻，但深度大制造难，中、低压小 设备不宜采用； 碟形封头深度可调节，适合于加工， 但曲率不连续，局部应力，故受力不 如椭圆形封头； 标准椭圆形封头制造比较容易，受力 状况比碟形封头好，故可采用标准椭 圆形封头。
相同受力，碟形封头壁厚 比椭圆形封头壁厚要大些 ，而且碟形封头存在应力 不连续，因此没有椭圆形 封头应用广泛。
四、球冠形封头
降低凸形封头高度， 将碟形封头的直边 及过圆弧部分去掉 ，只留下球面部分 。
也称无折边球形封头 。
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
≥20
3～ 9
10～ 18
≥20
直边 高度
25 40 50 25 40 50
㈡受外压（凸面受压）椭圆形封头 外压椭圆形封头厚度设计步骤同外
压圆筒。
a.假设dn,计算de＝dn-C,算出R0/ de
。椭圆形封头当量球壳外半径
b.R0=K1 D0。 K1 由长短轴比值决
定，标准椭圆形封头K1 =0.9 b. 计算系数
c. 根据材料，从A-B图（图4-16至 图4-20）中选用，若A值落在设 计温度线的右方，读出B值计算许
用外压力[p]
若A值在设计温度线的左方，则许 用外压：
d. 比较许用外压[p]与设计外压p ❖若p≤[p]，假设的厚度dn可用，
若小得过多，可将dn适当减小， 重复上述计算
❖若p＞[p]，需增大初设的dn，重 复上述计算，直至使[p]＞p且接 近p为止。
半锥角>300,锥底大端带折边。折边内半径 r=0.15Di = 180mm。锥体壁厚计算：
过渡区厚度计算公式
锥底接管dN=200mm,外径 d=219mm 所以锥底小端直径 Dis=222mm 接管加强段厚度与锥体同厚， 加强段的长度
思考题：
1、常用封头形式有哪些种？各有 什么特点？
2、比较半球形封头、椭圆形封头 、碟形封头的受力情况。
❖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4-14
例题4-4：确定例题4-2精馏塔封头
型式与尺寸。该塔Di=600mm； 设计压力p＝2.2MPa；工作温度t
二、半球形封头
受内压球形封头计算壁厚与球壳相同。 球形封头壁厚可较圆筒壳减薄一半。但为
焊接方便以及降低边缘压力，半球形封 头常和筒体取相同的厚度。 受外压的球形封头的厚度设计，计算步骤
同椭圆形封头。球壳外半径R0=K1 D0，
其中 K1 =0.5
三、碟形封头
又称带折边球形封头，球
面r和半高径度R为i、h过的渡直圆边弧。半径
❖忽略分母上微小差异，大多数椭圆 封头壁厚与筒体同，或比筒体稍厚。 ❖还应保证封头的有效壁厚de满足： 对标准椭圆形封头不小于封头内直径 的0.15％。
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4-11确定。
封头 材料
碳素钢、普低钢、 复合钢板
不锈钢、耐酸钢
封头 壁厚
4～8
10～ 18
（二）折边锥形封头或锥形筒体
可降低应力集中，适用于锥壳大端 半锥角a>300 ，小端半锥角a>450
当锥壳半锥角a>600时，按平盖计 算。
1、锥壳大端
a. 过渡段的计算壁 厚
b. 与过渡段相连 接处的锥壳计算 壁厚
2、锥壳小端
a. 半锥角a450 ，小端 无折边计算同前
b. 小端有折边，过渡段 厚度按（4-38）确定 ，Q值查图4-29。
c. 半锥角a>450 ，小端 过渡段厚度仍按（438）确定，Q值查图 4-30。
锥形封头的小端与接口管相连 ，一般不加过渡弧，但接口管 应增厚，厚度取锥体厚度，加 厚的长度：
六、平板封头
❖化工设备常用的一种封头。
❖圆形、椭圆形、长圆形、矩形 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。
第四节封头的设计
2020年7月26日星期日
封头又称端盖，其分类
一、椭圆形封头
半椭球和高度为
h的短圆筒(通
称直边)两部分 构成，
直边保证封头制 造质量和避免 边缘应力作用 。
㈠受内压的椭圆形封头 计算厚度
K-椭圆形封头形状系数，
标准椭圆形封头(长短轴之比值为 2)，K=1。壁厚计算公式：
当封头是由整块钢板冲压时，j 值取为1。筒体设计壁厚计算公式 ：