压力容器设计基础5
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8
3.8.4 碟形封头
1. 受内压的碟形封头 壁厚设计
Mpc Ri t 2 0.5 pc
Ri 1 M 3 4 r
t
碟形封头应力增强系数
许用压力
2 e pw MRi 0.5 e
9
3.8.4 碟形封头
2. 受外压的碟形封头 在均匀外压作用下，碟形封头的过渡区承受拉应力作 用，不会发生失稳；而球面部分为压应力，有可能发 生失稳。 碟形封头的外压计算仍采用半球形封头外压计算公式 和图算法步骤，只是其中Ro用球面部分外半径代替。
p
Ro
B
e
4
来自百度文库
3.8.3 椭圆形封头
椭圆形封头由半个椭球面和一圆柱直边段组成 直边段作用是避免封头和筒体的连接焊缝出出现经向曲率半径突
变，以改善焊缝的受力状况。 椭圆形封头是目前中、低压容器中应用最多的封头之一。
5
3.8.3 椭圆形封头
1. 受内压的椭圆形封头 Kpc Di 壁厚设计
ho=hi+n
7
3.8.4 碟形封头
碟形封头是带折边的球面封头，由半径为Ri的球面体
、半径为r的过渡环壳和短圆筒等三部分组成。 从几何形状看，碟形封头是一不连续曲面，在经线曲 率半径突变的两个曲面连接处，由于曲率的较大变化 而存在着较大边缘弯曲应力。受力状况不佳。 过渡环壳的存在降低了封头的深度，方便了成形加工。
e R o
3
壁厚设计
p cr 0.0833E m 14.52 , 3 p p 2 m Ro e
B
R o p
0.125 A Ro e
e
2 B EA 3
2 EA p 3R o e
1. 开孔补强设计与补强结构 “开孔补强设计”是在开孔附近区域增加补强金属，使 之达到提高壳壁强度，满足强度设计要求的目的。 容器开孔补强通常采用局部补强结构，主要分补强圈 补强、厚壁接管补强和整锻件补强三种形式。
36
3.9.3 容器的开孔与补强
补强圈补强 结构简单，制造方便，使用经验丰富 补强圈与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温 以上使用时补强局部区域会产生较大的热应力 补强圈与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，抗疲劳 性能差 用于静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于540MPa 、补强圈厚度小于或等于1.5n、壳体名义厚度n不大于38mm 的场合
28
3.9.2 容器支座
标准鞍座及其选用
A型（轻型） B型（重型）：BI~BV五种型号
先根据鞍座的实际承载，确定选用轻型(A型)或重型(B型)鞍座 找出对应的公称直径 结合容器筒体强度计算选择鞍座包角。
29
3.9.2 容器支座
圈座 自身重量可能造成严重挠曲的大直径薄壁容器或真空操作的 容器；多于两个支承的长容器一般采用圈座。当容器采用两 个圈座支承时，圆筒所承受的支座反力、轴向弯矩及其相应 的轴向应力的计算及校核均与鞍式支座相同。
符合min（不包括腐蚀裕量的最小厚度）不小于3mm的要求
另根据标准，16MnR钢板的最小厚度为6mm，故取n=6mm
n=6mm时，[]t=170MPa仍然成立，故取名义厚度n=6mm合适。
16
第3章 压力容器设计基础
1.1 3.9 零部件的设计与选用 物体的受力分析及其平衡条件
操作条件的影响
24
3.9.1 法兰
4. 法兰标准及其选用
25
3.9.2 容器支座
容器支座是用来支撑容器的重量、固定容器的位置并
使容器在操作中保持稳定。支座可以分为两大类：卧 式容器支座和立式容器支座。 1. 卧式容器支座 卧式容器支座中较常用的有鞍式支座和圈座。
26
3.9.2 容器支座
6
3.8.3 椭圆形封头
2. 受外压的椭圆形封头 外压稳定性计算公式和图算法步骤同受外压的半球形 封头，但公式及算图中的球面外半径Ro由椭圆形封头 的当量球壳外半径Ro=K1Do代替。
K1值是由椭圆长短轴比值Do/(2ho)决定的系数。
Do/(2ho)
K1 2.6 1.18 2.4 1.08 2.2 0.99 2.0 0.90 1.8 0.81 1.6 0.73 1.4 0.65 1.2 0.57 1.0 0.50
第3章 压力容器设计基础
1.1 物体的受力分析及其平衡条件 3.8 封头设计
3.8.1 概述
封头的分类（按形状分类） 凸形封头
半球形封头 椭圆形封头 碟形封头 球冠形封头
锥壳 变径段 平盖 紧缩口
2
3.8.2 半球形封头
1. 受内压的半球形封头 特点
从受力分析角度是最理想的结构形式 直径小时整体冲压困难（深度大） 直径大时采用分瓣冲压工作量较大 常用于高压容器
10
3.8.5 球冠封头
为了进一步降低凸形封头的高度，将碟形封头的直边
及过渡圆弧部分去掉，只留下球面部分，即构成了球 冠形封头。 球冠封头结构简单、制造方便，但应力分布不甚合理。
11
3.8.6 锥壳
锥壳因结构不连续，与圆筒体连接处的应力分布并不
理想，故大多使用在中低压场合。 其特殊的结构形式有利于固体颗粒和悬浮或粘稠液体 的排放，因而常用作设备的下封头；另外，两个不同 直径的圆筒体的连接也常采用锥壳结构。
30
3.9.2 容器支座
2. 立式容器支座 耳式支座：多用于中、小型直立容器 支承式支座 ：多用于中、小型直立容器 腿式支座 ：多用于中、小型直立容器 裙式支座：多用于高大塔设备
31
3.9.2 容器支座
耳式支座 用于反应釜及立式换热器等直立设备 简单、轻便对器壁会产生较大的局部应力 JB/T 4725《耳式支座》分为A型（短臂）和B型（长臂）两类
鞍式支座 选用原则
为使梁跨中截面和支座截面处的弯矩大致相等，通常取A≤0.2L 为了充分利用封头的加强作用，最好取A≤0.5Ro
27
3.9.2 容器支座
考虑到容器轴向伸缩，支座设计成一端固定，一端滑动； 鞍座有标准（JB/T 4712），但仍需进行强度和稳定性校核； 鞍座包角有120o、135o和150o三种，推荐120o和150o。
21
3.9.1 法兰
3. 影响法兰密封的因素
螺栓预紧力：预紧力必须使垫片压紧以实现初始密封 垫片性能
垫片在适当的预紧力作用下既能产生必需的弹性变形，又不 致被压坏或挤出；还要适应介质的温度、压力、腐蚀等； 视制作材料不同，垫片可分为非金属垫片、金属垫片和非金 属与金属混合制的垫片； 选择垫片材料时要综合考虑各种影响因素。
22
3.9.1 法兰
压紧面 压紧面主要应根据工艺参数（压力、温度、介质等）、密封 口径以及垫片等进行选择；
压紧面选用首先必须保证密封可靠，并力求加工容易、装配 方便、生产成本低；压紧面的形状和粗糙度还应与垫片相匹 配。
23
3.9.1 法兰
法兰刚度 法兰刚度不足会产生过大的翘曲变形；刚度大的法兰变形小 ，可将螺栓预紧力均匀地传递给垫片，从而提高法兰的密封 性能。
3.9.1 法兰
1. 螺栓法兰联接结构与密封机理 联接结构：由法兰、螺栓及垫片组成，依靠螺栓预紧 力把两部分设备或管道的法兰环连在一起，同时压紧 垫片，使联接处达到密封。 失效形式：主要是泄漏，漏是不可避免的，但要控制 泄漏量。 密封方式：强制密封
18
3.9.1 法兰
螺栓拧紧时，螺栓力(F1)通过法兰环把垫片压紧，迫使垫片产生压缩变 形 螺栓力达到一定数值后，使法兰密封面和垫片上的凹凸不平面借助垫片 变形而填满，这就为阻止介质泄漏产生了初始密封条件 此时，垫片单位面积上所受的最小压紧力称为“垫片比压力”，用y表示， 单位为MPa；如垫片单位面积上所受的压紧力小于比压力y，法兰即发 生介质泄漏 为保证在操作状态时法兰的密封性能，必须在垫片上施加压应力，称为 操作密封比压，用介质计算压力的m倍表示，m称为“垫片系数”，无因 次
2 0.5 pc
t
椭圆形封头的形状系数
标准椭圆形封头Di/2hi=2， 所以K=1，于是
D 2 1 K 2 i 6 2hi pc Di t 2 0.5 pc
t
许用压力
2 e pw KDi 0.5 e
19
3.9.1 法兰
2. 法兰的结构与分类 按法兰接触面宽窄可分为宽面法兰与窄面法兰。
按法兰与设备或管道的联接方式可分为：整体法兰、
松式法兰和任意式法兰。
20
3.9.1 法兰
整体法兰：法兰、法兰颈部及设 备或管道三者能有效地连接成一 整体结构时叫整体法兰。 松式法兰：指法兰未能有效地与 容器或接管连接成一整体，不具 有整体式连接的同等结构强度。 任意式法兰：法兰与壳体连成一 体，但刚性介于整体法兰和松式 法兰之间。任意式法兰受力后， 法兰环的矩形截面会发生微小转 动，与法兰相联的壳壁随着发生 弯曲变形。
裙式支座
34
3.9.3 容器的开孔与补强
开孔后，壳壁因去除了一部分承载的金属材料而被削
弱，同时使容器结构出现局部的不连续，因而在开孔 与接管处往往会出现局部较高的集中应力；加之容器 与接管角焊缝的焊接及其检验较为困难，使很多失效 现象从开孔边缘处首先出现。
35
3.9.3 容器的开孔与补强
15
3.8.8 应用举例
封头厚度的确定
计算厚度
设计厚度 名义厚度
pc Di 0.8 1000 2.36 mm t 2 0.5 pc 2 1701 0.5 0.8
d C2 2.36 2 4.36 mm
n d C1 4.36 0 5 mm
形式与厚度。该容器计算压力pc=0.83MPa，设计温度 t=70℃，筒体内径Di=1000mm，壁厚6mm，材料为 16MnR，腐蚀裕量C2取2mm。
14
3.8.8 应用举例
【解】 封头结构形式的确定
由于工艺操作方面对封头形状无特殊要求，因而主要应根据 各种封头的受力情况和制造难易程度来选择。 球冠形封头、锥壳存在较大的边缘应力，而平盖厚度较大， 故都不宜选用； 半球形封头受力最好，壁厚最薄、重量轻，但深度大，制造 较难，中低压设备不宜采用； 碟形封头的深度可通过过渡半径r加以调节，适合于加工，但 由于碟形封头母线曲率不连续，存在局部应力，故受力不如 椭圆形封头； 相比较而言，标准椭圆形封头制造比较容易，受力状况比碟 形封头好，故可选用标准椭圆形封头。
12
3.8.7 平盖
相同的直径和压力下，平盖要比凸形封头厚得多。但
平盖结构简单，制造方便，在压力不高、直径较小的 容器中，采用平盖较为经济简便；在高压容器中使用 也较为普遍。
Kpc p Dc t
K为结构特征系数， 图示结构中，K=0.27
13
3.8.8 应用举例
【例题5】试通过比较确定例题2所给容器的封头结构
壁厚计算
pc Di t 4 pc
推导过程与圆筒壁厚计算公式类似 半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。
3
3.8.2 半球形封头
2. 受外压的半球形封头 临界压力
许用外压
pcr
3 1 2
2E
32
3.9.2 容器支座
支承式支座 用于高度不大、安装位置距 基础面较近且具有凸形封头 的立式容器 简单方便对容器封头会产生 较大的局部应力 JB/T 4724《支承式支座》 支承式支座分为A型和B型
33
3.9.2 容器支座
腿式支座
适用于高度较小的中小型立式容 器 结构简单、轻巧、安装方便，在 容器下面有较大的操作维修空间 JB/T 4713《腿式支座》腿式支座 分为A型和B型 适用于比较高大的立式容器，特 别是塔设备 有圆筒形裙座和圆锥形裙座两种 形式
3.8.4 碟形封头
1. 受内压的碟形封头 壁厚设计
Mpc Ri t 2 0.5 pc
Ri 1 M 3 4 r
t
碟形封头应力增强系数
许用压力
2 e pw MRi 0.5 e
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3.8.4 碟形封头
2. 受外压的碟形封头 在均匀外压作用下，碟形封头的过渡区承受拉应力作 用，不会发生失稳；而球面部分为压应力，有可能发 生失稳。 碟形封头的外压计算仍采用半球形封头外压计算公式 和图算法步骤，只是其中Ro用球面部分外半径代替。
p
Ro
B
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来自百度文库
3.8.3 椭圆形封头
椭圆形封头由半个椭球面和一圆柱直边段组成 直边段作用是避免封头和筒体的连接焊缝出出现经向曲率半径突
变，以改善焊缝的受力状况。 椭圆形封头是目前中、低压容器中应用最多的封头之一。
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3.8.3 椭圆形封头
1. 受内压的椭圆形封头 Kpc Di 壁厚设计
ho=hi+n
7
3.8.4 碟形封头
碟形封头是带折边的球面封头，由半径为Ri的球面体
、半径为r的过渡环壳和短圆筒等三部分组成。 从几何形状看，碟形封头是一不连续曲面，在经线曲 率半径突变的两个曲面连接处，由于曲率的较大变化 而存在着较大边缘弯曲应力。受力状况不佳。 过渡环壳的存在降低了封头的深度，方便了成形加工。
e R o
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壁厚设计
p cr 0.0833E m 14.52 , 3 p p 2 m Ro e
B
R o p
0.125 A Ro e
e
2 B EA 3
2 EA p 3R o e
1. 开孔补强设计与补强结构 “开孔补强设计”是在开孔附近区域增加补强金属，使 之达到提高壳壁强度，满足强度设计要求的目的。 容器开孔补强通常采用局部补强结构，主要分补强圈 补强、厚壁接管补强和整锻件补强三种形式。
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3.9.3 容器的开孔与补强
补强圈补强 结构简单，制造方便，使用经验丰富 补强圈与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温 以上使用时补强局部区域会产生较大的热应力 补强圈与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，抗疲劳 性能差 用于静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于540MPa 、补强圈厚度小于或等于1.5n、壳体名义厚度n不大于38mm 的场合
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3.9.2 容器支座
标准鞍座及其选用
A型（轻型） B型（重型）：BI~BV五种型号
先根据鞍座的实际承载，确定选用轻型(A型)或重型(B型)鞍座 找出对应的公称直径 结合容器筒体强度计算选择鞍座包角。
29
3.9.2 容器支座
圈座 自身重量可能造成严重挠曲的大直径薄壁容器或真空操作的 容器；多于两个支承的长容器一般采用圈座。当容器采用两 个圈座支承时，圆筒所承受的支座反力、轴向弯矩及其相应 的轴向应力的计算及校核均与鞍式支座相同。
符合min（不包括腐蚀裕量的最小厚度）不小于3mm的要求
另根据标准，16MnR钢板的最小厚度为6mm，故取n=6mm
n=6mm时，[]t=170MPa仍然成立，故取名义厚度n=6mm合适。
16
第3章 压力容器设计基础
1.1 3.9 零部件的设计与选用 物体的受力分析及其平衡条件
操作条件的影响
24
3.9.1 法兰
4. 法兰标准及其选用
25
3.9.2 容器支座
容器支座是用来支撑容器的重量、固定容器的位置并
使容器在操作中保持稳定。支座可以分为两大类：卧 式容器支座和立式容器支座。 1. 卧式容器支座 卧式容器支座中较常用的有鞍式支座和圈座。
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3.9.2 容器支座
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3.8.3 椭圆形封头
2. 受外压的椭圆形封头 外压稳定性计算公式和图算法步骤同受外压的半球形 封头，但公式及算图中的球面外半径Ro由椭圆形封头 的当量球壳外半径Ro=K1Do代替。
K1值是由椭圆长短轴比值Do/(2ho)决定的系数。
Do/(2ho)
K1 2.6 1.18 2.4 1.08 2.2 0.99 2.0 0.90 1.8 0.81 1.6 0.73 1.4 0.65 1.2 0.57 1.0 0.50
第3章 压力容器设计基础
1.1 物体的受力分析及其平衡条件 3.8 封头设计
3.8.1 概述
封头的分类（按形状分类） 凸形封头
半球形封头 椭圆形封头 碟形封头 球冠形封头
锥壳 变径段 平盖 紧缩口
2
3.8.2 半球形封头
1. 受内压的半球形封头 特点
从受力分析角度是最理想的结构形式 直径小时整体冲压困难（深度大） 直径大时采用分瓣冲压工作量较大 常用于高压容器
10
3.8.5 球冠封头
为了进一步降低凸形封头的高度，将碟形封头的直边
及过渡圆弧部分去掉，只留下球面部分，即构成了球 冠形封头。 球冠封头结构简单、制造方便，但应力分布不甚合理。
11
3.8.6 锥壳
锥壳因结构不连续，与圆筒体连接处的应力分布并不
理想，故大多使用在中低压场合。 其特殊的结构形式有利于固体颗粒和悬浮或粘稠液体 的排放，因而常用作设备的下封头；另外，两个不同 直径的圆筒体的连接也常采用锥壳结构。
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3.9.2 容器支座
2. 立式容器支座 耳式支座：多用于中、小型直立容器 支承式支座 ：多用于中、小型直立容器 腿式支座 ：多用于中、小型直立容器 裙式支座：多用于高大塔设备
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3.9.2 容器支座
耳式支座 用于反应釜及立式换热器等直立设备 简单、轻便对器壁会产生较大的局部应力 JB/T 4725《耳式支座》分为A型（短臂）和B型（长臂）两类
鞍式支座 选用原则
为使梁跨中截面和支座截面处的弯矩大致相等，通常取A≤0.2L 为了充分利用封头的加强作用，最好取A≤0.5Ro
27
3.9.2 容器支座
考虑到容器轴向伸缩，支座设计成一端固定，一端滑动； 鞍座有标准（JB/T 4712），但仍需进行强度和稳定性校核； 鞍座包角有120o、135o和150o三种，推荐120o和150o。
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3.9.1 法兰
3. 影响法兰密封的因素
螺栓预紧力：预紧力必须使垫片压紧以实现初始密封 垫片性能
垫片在适当的预紧力作用下既能产生必需的弹性变形，又不 致被压坏或挤出；还要适应介质的温度、压力、腐蚀等； 视制作材料不同，垫片可分为非金属垫片、金属垫片和非金 属与金属混合制的垫片； 选择垫片材料时要综合考虑各种影响因素。
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3.9.1 法兰
压紧面 压紧面主要应根据工艺参数（压力、温度、介质等）、密封 口径以及垫片等进行选择；
压紧面选用首先必须保证密封可靠，并力求加工容易、装配 方便、生产成本低；压紧面的形状和粗糙度还应与垫片相匹 配。
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3.9.1 法兰
法兰刚度 法兰刚度不足会产生过大的翘曲变形；刚度大的法兰变形小 ，可将螺栓预紧力均匀地传递给垫片，从而提高法兰的密封 性能。
3.9.1 法兰
1. 螺栓法兰联接结构与密封机理 联接结构：由法兰、螺栓及垫片组成，依靠螺栓预紧 力把两部分设备或管道的法兰环连在一起，同时压紧 垫片，使联接处达到密封。 失效形式：主要是泄漏，漏是不可避免的，但要控制 泄漏量。 密封方式：强制密封
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3.9.1 法兰
螺栓拧紧时，螺栓力(F1)通过法兰环把垫片压紧，迫使垫片产生压缩变 形 螺栓力达到一定数值后，使法兰密封面和垫片上的凹凸不平面借助垫片 变形而填满，这就为阻止介质泄漏产生了初始密封条件 此时，垫片单位面积上所受的最小压紧力称为“垫片比压力”，用y表示， 单位为MPa；如垫片单位面积上所受的压紧力小于比压力y，法兰即发 生介质泄漏 为保证在操作状态时法兰的密封性能，必须在垫片上施加压应力，称为 操作密封比压，用介质计算压力的m倍表示，m称为“垫片系数”，无因 次
2 0.5 pc
t
椭圆形封头的形状系数
标准椭圆形封头Di/2hi=2， 所以K=1，于是
D 2 1 K 2 i 6 2hi pc Di t 2 0.5 pc
t
许用压力
2 e pw KDi 0.5 e
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3.9.1 法兰
2. 法兰的结构与分类 按法兰接触面宽窄可分为宽面法兰与窄面法兰。
按法兰与设备或管道的联接方式可分为：整体法兰、
松式法兰和任意式法兰。
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3.9.1 法兰
整体法兰：法兰、法兰颈部及设 备或管道三者能有效地连接成一 整体结构时叫整体法兰。 松式法兰：指法兰未能有效地与 容器或接管连接成一整体，不具 有整体式连接的同等结构强度。 任意式法兰：法兰与壳体连成一 体，但刚性介于整体法兰和松式 法兰之间。任意式法兰受力后， 法兰环的矩形截面会发生微小转 动，与法兰相联的壳壁随着发生 弯曲变形。
裙式支座
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3.9.3 容器的开孔与补强
开孔后，壳壁因去除了一部分承载的金属材料而被削
弱，同时使容器结构出现局部的不连续，因而在开孔 与接管处往往会出现局部较高的集中应力；加之容器 与接管角焊缝的焊接及其检验较为困难，使很多失效 现象从开孔边缘处首先出现。
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3.9.3 容器的开孔与补强
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3.8.8 应用举例
封头厚度的确定
计算厚度
设计厚度 名义厚度
pc Di 0.8 1000 2.36 mm t 2 0.5 pc 2 1701 0.5 0.8
d C2 2.36 2 4.36 mm
n d C1 4.36 0 5 mm
形式与厚度。该容器计算压力pc=0.83MPa，设计温度 t=70℃，筒体内径Di=1000mm，壁厚6mm，材料为 16MnR，腐蚀裕量C2取2mm。
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3.8.8 应用举例
【解】 封头结构形式的确定
由于工艺操作方面对封头形状无特殊要求，因而主要应根据 各种封头的受力情况和制造难易程度来选择。 球冠形封头、锥壳存在较大的边缘应力，而平盖厚度较大， 故都不宜选用； 半球形封头受力最好，壁厚最薄、重量轻，但深度大，制造 较难，中低压设备不宜采用； 碟形封头的深度可通过过渡半径r加以调节，适合于加工，但 由于碟形封头母线曲率不连续，存在局部应力，故受力不如 椭圆形封头； 相比较而言，标准椭圆形封头制造比较容易，受力状况比碟 形封头好，故可选用标准椭圆形封头。
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3.8.7 平盖
相同的直径和压力下，平盖要比凸形封头厚得多。但
平盖结构简单，制造方便，在压力不高、直径较小的 容器中，采用平盖较为经济简便；在高压容器中使用 也较为普遍。
Kpc p Dc t
K为结构特征系数， 图示结构中，K=0.27
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3.8.8 应用举例
【例题5】试通过比较确定例题2所给容器的封头结构
壁厚计算
pc Di t 4 pc
推导过程与圆筒壁厚计算公式类似 半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。
3
3.8.2 半球形封头
2. 受外压的半球形封头 临界压力
许用外压
pcr
3 1 2
2E
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3.9.2 容器支座
支承式支座 用于高度不大、安装位置距 基础面较近且具有凸形封头 的立式容器 简单方便对容器封头会产生 较大的局部应力 JB/T 4724《支承式支座》 支承式支座分为A型和B型
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3.9.2 容器支座
腿式支座
适用于高度较小的中小型立式容 器 结构简单、轻巧、安装方便，在 容器下面有较大的操作维修空间 JB/T 4713《腿式支座》腿式支座 分为A型和B型 适用于比较高大的立式容器，特 别是塔设备 有圆筒形裙座和圆锥形裙座两种 形式