内压容器封头的设计

例2：设计一台圆形受压容器，内径Di=1400mm，长度 l=3000mm，两端为标准椭圆形封头，筒体和封头材料 均选用16MnR，腐蚀裕量取2mm，工作温度为280℃， 最高工作压力为1.6MPa，试确定筒体和封头的厚度。 解： 1、筒体的厚度
筒体的计算厚度按下式计算

2 pc
t
pc Di
式中：pc=1.1×1.6=1.76MPa
Di=1400mm
[σ]t=156-[（156-144）/50]×30=148.8MPa
（假定钢板厚度在6～16mm范围内）
取Φ=0.85（双面对接焊，局部无损探伤）
1.76 1400 9.81 2 148 .8 0.85 1.76
Biblioteka Baidu所以
2 1000 9.2 t 109 .7 MPa 2 9.2
t
结论：
该容器不满足强度校核条件,故不能在p=2MPa条 件下使用。
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。
厚度δn=7mm，材质为16MnR，计算压力pc=2.2MPa，工作 温度t=-20～-3℃。试确定该塔的封头形式与尺寸。 解： 从工艺操作要求来看，封头形状无特殊要求，现按凸形封头和 平板封头设计并比较。 pc Di （1）若采用半球封头 t
4 pc
式中
pc=2.2MPa；Di=600mm；[σ]t=170MPa。
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 ）若采用标准椭圆形封头，则

2 0.5 pc
t
pc Di
式中φ=1.0（封头整板冲压）。
2.2 600 3.9mm 2 170 1 0.5 2.2
n C1 C2 3.9 0.6 1 6mm
（3）若采用标准碟形封头，则
椭圆封头最大允许工作压力计算公式
2 e pw KDi 0.5 e
t
MPa
GB150-1998规定
K ≤ 1 时， δe ≥ 0.15% Di K ＞1 时， δe ≥ 0.30% Di
椭圆形封头标准为JB／T4737—95
表10-2 标准椭圆形封头的直边高度h。
封头材料 封头壁厚 mm 碳素钢、普低钢、复合 钢板 4～8 10 ～18 ≥ 20 3 ～9 高合金钢 10 ～18 ≥20
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
故该容器满足水压试验的强度要求.
例3:某厂库存一台内径为1000mm、长为26000mm的圆 筒形容器，实测该容器的筒体厚度为10mm，两端为标 准椭圆形封头，焊缝采用双面对接焊，材料为 0Cr18Ni10Ti。由于该设备出厂说明书不全，试问该容 器是否可作为计算压力为2MPa、温度为250℃、介质无 腐蚀的分离器？ 解： 该容器按下式校核其应力
式中：K=1（标准椭圆封头） φ=0.85（封头采用拼焊后冲压成型）
1 1.76 1400 9.77 2 148 .8 0.85 0.5 1.76
又 C2=2mm
mm
则封头设计厚度
δd= δ+C2=9.77+2=11.77mm
又 C1=0.8mm
则名义厚度δn=14mm
封头型 式 半球形 椭圆形 碟形 平板形 厚度 /mm 4 6 7 38 深度（包括 理论面积/m2 直边）/mm 300 175 161 — 0.565 0.466 0.410 0.238 质量 /kg 17.8 21 22.4 83.9 制造难易 程度 较难 较易 较易 易
由上表可见，该精馏塔以采用椭圆封头为宜。
平板封头厚度设计公式
p Dc
Kpc t [ ]
mm
p
Dc pc K
[ ]t
平板封头的计算厚度 mm 计算直径 mm 计算压力 MPa 焊接接头系数 结构特征系数 材料在设计温度下的许用应力 MPa
第四节 封头的选择
封头的选择主要根据设计对象的要求，并考 虑经济技术指标。 1、几何方面 单位容积的表面积，半球形封头为最小。
pc Di e t 2 e
t
式中：pc=2MPa，C1=0.8mm， C2=0，φ=0.85；δe— —筒体的有效厚度。
δe= δ n-（ C1+C2）= 10-（0.8+0）=9.2mm
又因为 [σ]t=122MPa
[σ]tφ=122×0.85=103.7MPa
L 2 0 .5 D i
（边缘应力作用区域）
第二节 锥形封头
广泛应用于许多化工设备的底盖，它的优点是便于 收集与卸除这些设备中的固体物料。此外，有一些 塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体将 直径不等的两段塔体连接起来，这时的锥形壳体称 为变径段。
锥形封头厚度计算公式
pc Dc 1 c mm t 2 pc cos

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
mm
又因为 C2=2mm 设计厚度δd= δ+C2=11.81mm 取C1=0.8mm（假定钢板在8～25mm范围内）
则钢板名义厚度δn=14mm
检查：δn=14mm，[σ]t、 C1无变化，故取δn=14mm
合适。
2、封头的壁厚
封头的计算厚度按下式计算

2 0.5 pc
t
Kpc Di
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）。
2.2 600 2.4mm 4 170 0.8 2.2
n C1 C2 2.4 0.3 1 4mm
δe ≥0.15% Di M ≤ 1.325 时， M＞1.325 时， δe ≥ 0.30%Di
标准碟形封头计算 厚度公式
GB150-1998规定
优点： 便于手工加工成型,且可在现场安装制造。
主要缺点：
在球形部分、过渡部分的圆弧部分及直边部分的连
接处因为曲率半径有突变，故有较大的边缘应力产生。
综合考虑碟形封头的受力特点、加工难易程度，规定 Ri≤Di,r/ Di≥0.1,且r≥3δn（封头名义厚度）。
四、球冠形封头（也称无折边球形封头） 结构： 将碟形封头中的直边及过渡部分去掉，将球面部分直接焊 在筒体上，就构成了球冠形封头。 从受力的角度考虑，封头球面内半径Ri控制为圆筒内直径Di的 0.7～1.0倍。 作用
球冠形封头多用作容器中两独立受压的中间封头，也可用作 容器的端盖。 计算厚度公式
直边高度 mm
25
40
50
25
40
50
三、碟形封头
碟形封头的组成
图10-3 碟形封头
以 Ri 为半径的球面； 以 r 为半径的过渡圆弧(即折边)； 高度为 h0 的直边。
形状系数
1 M 3 4
Ri r

计算厚度公式
Ri =0.9Di r=0.17D i
Mpc Ri mm t 2 0.5 pc 1.2 pc Ri mm t 2 0.5 pc
4 e
二、 椭圆形封头
椭圆形封头是由长短半轴分别为a和b的半椭球和高度 为ho的短圆筒(通称为直边)两部分所构成。直边的作 用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的 环向焊缝受边缘应力作用。
Kpc Di mm t 2 0.5 pc
图10-2 椭圆形封头
椭圆形封头
筒体的有效厚度
δe= δn-（ C1+C2）=14-2.8=11.2mm 且σts=345MPa 所以压力试验时圆筒壁中的应力为
p（ T Di e） 2.52 1400 11.2 T 186.8 MPa 2 e 2 11.2 0.85
0.9 σts=0.9×345=310.5 MPa 所以σT< 0.9 σts
t
Kpc
mm
式中Dc=600mm，查图10-4得K取0.25，并φ取1.0。
0.25 202 600 34 170 1.0
mm
n C1 C2 34 1.1 1 38 mm
即圆整后采用δn=38mm厚的钢板。
表10-5 各种封头计算结果比较
1.2 pc Di 1.2 2.2 600 4.67m m t 2 0.5 pc 2 170 1 0.5 2.2
n C1 C2 4.67 0.8 1 8mm
（4）若采用平板封头，则
Dc

结论：当椭球壳的长短半轴 a/b＞2时，椭球壳赤道上出现很 大的环向应力，其绝对值远大于顶点的应力，从而引入形状 系数K。（也称应力增加系数）
Di 2 1 K [2 ( ) ] 6 2hi
标准椭圆封头K=1（a/b=2）,计算厚度公式为
pc Di mm t 2 0.5 pc
检查：δn=14mm，[σ]t、 C1无变化，故取δn=14mm
3、容器水压试验
试验压力按下式计算
pT 1.25P t
式中：[σ]=170MPa
p=pc=1.76MPa
pT
1.25p t
170 1.25 1.76 2.52 MPa 148.8
内压容器封头的设计 半球形封头 椭圆形封头 凸形封头 碟形封头
容器封头 （端盖）
锥形封头
球冠形封头
平板封头
第一节 一、半球形封头
半球形封头是由半个 球壳构成的，它的计 算壁厚公式与球壳相 同
凸形封头

4 pc
t
pc Di
d
4 pc
t
t
pc Di
C2
注解：