第十章 内压容器封头的设计

[ ] d
=
2s
pcDi tf -0.5pc
（10-3）
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确定椭圆形封头最大允许工作压力，保证封头有足够的强度， 不会发生屈服。由下式确定，
[pw ] =
2[s ]tfde
KDi + 0.5d e
（10-4）
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
第十章 内压容器封头的设计
式中，K-椭圆形封头形状系数，表示封头上的最大总应力为 半径与椭圆形封头直径的半球形封头薄膜应力的K倍，由下 式得到
K
=
1 6
é ê2 êë
+
ççèæ
Di 2 hi
÷÷øö 2
ù ú úû
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
第十章 内压容器封头的设计
标准椭圆形封头(长短轴之比值为2)，K=1。壁厚计算公式：
第十章 内压容器封头的设计
10.1 凸形封头
一、半球形封头
优点 均匀内压下,薄壁球形容器是相同 直径圆筒的一半,是受力情况最好 的结构形式。
缺点
深度大，直径小，整体冲压困难， 常用于高压容器上。
半球形封头
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
第十章 内压容器封头的设计
（10-7）
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
第十章 内压容器封头的设计
四、球冠形封头
组成
也称无折边球形封头，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。 优缺点：结构简单，制造方便， 在连接处存在很大的不连续应力。 常用作容器中两独立受压室的中 间封头。
小端折边锥壳的过渡段转角半径rs应不小于封头小端内直径 Dis的5％，且不小于该过波段厚度的3倍。 当锥壳的半顶角α>60o时，其厚度可按平盖计算，也可以用应力 方法确定。
锥壳与圆筒的连接应采用全焊透结构。
2．锥形封头的标堆 标准带折边锥形封头半顶角为30o及45o两种，锥体大端过渡
区圆弧半径r=0.15Di。JB/T4738-1995为90o折边锥形封头, JB/T4739-1995为60o折边锥形封头,设计时可根据标准选用。
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10.3 平板封头
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
第十章 内压容器封头的设计
1.化工设备常用的一种封头； 2.圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等； 3.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； 4.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； 5.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； 6.高压容器平板封头用得较为普遍(直径较小的容器)。
二、椭圆形封头
组成 半椭球和高度为h的短圆筒(通 称直边)两部分构成。
直边的作用：保证封头制造 质量和避免边缘应力作用
椭圆封头
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
第十章 内压容器封头的设计
厚度的计算
d
=
pcDiK
2[s ]t f - 0 .5 p c
（10-2）
4．球冠形封头 球冠形封头是部分球形封头与圆筒直接连接，它结构筒单、制 造方便，常用作容器中两独立受压室的中间封头，也可用作端 盖。封头与筒体连接处的角焊缝应采用全焊透结构。在球封头 与圆筒连接处其曲率半径发生突变，且两壳体因无公切线而存 在横向推力，所以产生相当大的不连续应力，这种封头一般只 能用于压力不高的场合。
内压情况
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。
内压厚度
d
=
pc Di
4[s ]tf -
pc
（10-1）
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
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标准椭圆形封头的直边高度由下表确定：
封头 材料
封头 壁厚 直边 高度
碳素钢、普低钢、 不锈钢、耐酸
复合钢板
钢
4～ 10～ ≥ 3～ 10～ ≥
8 18 20 9 18 20
25 40 50 25 40 50
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
三、碟形封头
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
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第二种方法：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的直边三部分所构成，称折边 锥形封头。
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当
、
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当Ri=0.9Di、r=0.17Di时，称为标准碟形封头，此时M＝ 1.325，于是标准碟形封头的厚度计算公式可写成如下形式
dn
=
1.2 pcDi
2[s ]tf - 0.5 pc
（10-6）
碟形封头的最大允许工作压力为
[
pW
]
=
2[s ]t fde
MRi + 0.5de
球冠形封头
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
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10.2 锥形封头
分类
锥壳
有折边 半锥角a 无折边
应用：1.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 2.便于收集与卸除设备中的固 体物料。 3.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。
1.半球形封头
补充参数：半球形封头与筒体连接的环焊缝属于封头内的部 分，采用带垫板单面对接焊，局部无损探伤， φ=0.8 。
计算壁厚为：
d
=
pc Di
4[s ]tf -
pc
(mm)
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d
=
2.2´ 600 4´170´ 0.8 -
大端折边锥壳的过渡段转角半径r应不小于封头大端内直径Di 的10％、且不小于该过渡段厚度的3倍。
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对于锥壳小端，当锥壳半顶角α≤45o时，可以采用无折边结构； 当α>45o时，应采用带过渡段的折边结构。
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第十章 内压容器封头的设计
5．锥形封头 锥形封头有两种形式，即无折边锥形封头和有折边锥形封头。 就强度而论，锥形封头的结构并不理想，但从受力来看，锥顶 部分强度很高，故在锥尖开孔一般不需要补强。锥形封头经常 作为流体的均匀引入和引出、悬浮或粘稠液体和固体颗粒等的 排放、不同直径圆筒的过渡件。锥形封头可用滚制成形或压制 成形，折边部分可以压制或敲打成形，但锥顶尖部分很难成形。
2.2
=
2.4(mm)
δd=2.4+1.0=3.4(mm) C1=0.25mm
名义壁厚为 δn=3.4+0.25=3.65(mm) 取4mm。 δn=3.7mm,板厚仍然为4mm。
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
第十章 内压容器封头的设计
例题
确质定为精16流Mn塔R（封G头B6形65式4-及96尺) 寸，。计塔算径压Di力=6P0c0=m2m.，2M壁Pa厚, δ工n作=7温mm度，材 t=-3～-20°C。
【解】确定参数： Pc=2.2MPa， Di=600mm， C2=1mm,[s]=170MPa 。封头材质选16MnR（GB6654-96)
第十章 内压容器封头的设计
组成
又称带折边球形封头，由半径为 Ri的球面、半径为r的过渡圆弧 和高度为h的直边组成。 优缺点：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。加 工简单。
碟形封头
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
第十章 内压容器封头的设计
受内压碟形封头存在较大的边缘应力，用有力矩理论更合 理，但求解过程复杂。
由于过渡环壳包括不连续应力在内的总应力总是大于中心 球面部分，因此引入碟形封头形状系数M。
内压厚度：
d
=
Mp c Ri
2[s ]t f - 0.5 pc
（10-5）
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
6．平板封头 平板封头是各种封头中结构最筒单、制造最容易的一种封头形 式。对于同样直径和压力的容器，采用平板封头的厚度最大。
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第十章 内压容器封头的设计
总之．从受力情况来看，半球形封头最好，椭圆形、碟 形其次，球冠形、锥形更次之，而平板最差。从制造角 度来看、平板最容易，球冠形、锥形其次，碟形、椭圆 形更次，而半球形最难；就使用而论，锥形有其特色， 用于压力不高的设备上，椭圆形封头用作大多数中低压 容器的封头，平板封头用作常压或直径不大的高压容器 的封头，球冠形封头用作压力不高的场合成容器中两独 立受压室的中间封头，半球形封头一般用于大型储罐或 高压容器的封头。
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
第十章 内压容器封头的设计
平盖封头厚度：
d P = Dc
Kp c
[s ]t f
（10-9）
式中，K为结构特征系数，查表10-4。
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
第十章 内压容器封头的设计
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
第十章 内压容器封头的设计
锥形封头
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
第十章 内压容器封头的设计
为了降低连接处的边缘应力，可以采用以下两种方法。 第一种方法：使连接处附近的封头及筒体厚度增大，即采 用局部加强的方法。
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第十章 内压容器封头的设计
3．碟形封头 碟形封头是由球面、过渡段以及圆柱直边段三个不同曲面组成。 虽然由于过渡段的存在降低了封头的深度，方便了成型加工， 但在三部分连接处，由于经线曲率发生突变，在过渡区边界上 不连续应力比内压薄膜应力大得多，故受力状况不佳，目前渐 渐有被椭圆形封头取代之势。它的制造常用冲压、手工敲打、 旋压而成。
10.4 封头的结构特性及选择
1．半球形封头 半球形封头是由半个球壳构成，就单位容积的表面积来说为最 小；需要的厚度是同样直径的圆筒的二分之；从受力来看，球 形封头是最理想的结构形式；但缺点是深度大，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。
2．椭圆形封头 椭圆形封头是由半个椭球面和一同柱直边段组成，它与碟形封 头的容积和表面积基本相同，它的应力情况不如半球形封头均 匀，但比碟形封头要好。对于a/b=2的标准椭圆形封头与厚度相 等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。椭园形封头吸取了 碟形封头深度浅的优点，用冲压法易于成型，制造比球形封头 容易。
第十章 内压容器封头的设计
封头分类
凸形封头 平板封头 锥形封头
半球形封头 椭圆形封头
碟形封头 球冠形封头
有折边
无折边
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
第十章 内压容器封头的设计
锥形封头
半球形封头
碟形封头
椭圆封头
主要封头类型
HM 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
第十章 内压容器封头的设计
1．锥形封头的结构要求及计算 对于锥壳半顶角α≤60o的轴对称无折边锥壳或折边锥壳，有两
种不同的计算方法，可参见GB150-1998，另外需要时锥壳可以 由同一半顶角的几个不同厚度的锥壳组成。
对于锥壳大端，当锥壳半顶角α≤30o时，可以采用无折边结构； 当α>30o应采用带过渡段的折边结构，否则应按应力分析的方法 进行设计。