化工設(shè)備課件第三節(jié)內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計

1、第三節(jié)內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計n 容器封頭又稱端蓋，按其形狀可分為三類：n1、凸形封頭；n2、錐形封頭；n3、平板形封頭。 其中凸形封頭包括：nA、半球形封頭nB、橢圓形封頭nC、碟形封頭nD、球冠形封頭四種。一、半球形封頭n 半球形封頭是由半個球殼構(gòu)成的，它的計算壁厚公式與球殼相同。既n 所以，球形封頭壁厚可較相同直徑與壓力的圓筒可減薄一半。但在實際工作中，為了焊接方便以及降低邊界處的邊緣應(yīng)力，也常和筒體取相同的壁厚。橢圓形封頭h1h2n 當(dāng)橢球殼的長短半軸 a /b2時，橢球殼赤道上出現(xiàn)很大的應(yīng)力，其絕對值遠(yuǎn)大于頂點的應(yīng)力。n 為考慮這種應(yīng)力變化對橢圓形封頭強(qiáng)度的影響，而引入了形狀系數(shù)K，國家標(biāo)

2、準(zhǔn)規(guī)定，在工程應(yīng)用中，K值不大于2.6。n 受內(nèi)壓力的橢圓形封頭的計算壁厚公式為:橢圓形封頭的形狀系數(shù)K值標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭n 工程上將（Di/2hi）=2，即a/b=2的橢圓形封頭稱為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，此時形狀系數(shù)K=1（見表4-10），于是得標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的計算壁厚公式為： 20.5tPcDiSPc國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：n 標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的有效壁厚Se應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%,其他橢圓形封頭的有效壁厚應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.30%。n 橢圓形封頭的最大允許工作壓按下式計算：標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的直邊高度h0n表4-1標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的直邊高度標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的直邊高度h0 mmn封頭材料碳素鋼普低鋼復(fù)合鋼板

3、 不 銹 鋼n封頭壁厚 48 1018 39 39 1018 20直邊高度 25 40 50 25 40 50n現(xiàn)行的橢圓形封頭標(biāo)準(zhǔn)為JB/T4737-95。三、碟形封頭n碟形封頭由三部分構(gòu)成：以為半徑Ri的球面，以r為半徑的過渡圓弧（既折邊）和高度為h0的直邊。 RrDNh1h2n 其球面半徑越大，折邊半徑越小封頭的深度將越淺。考慮到球面部分與過渡區(qū)聯(lián)接處的局部高應(yīng)力，規(guī)定：n Ri0.9Di r=0.17Di n n碟形封頭過渡圓弧與球面聯(lián)接處的經(jīng)線曲率有突變，在壓力作用下，這里將產(chǎn)生很大的邊緣應(yīng)力，考慮這一邊緣應(yīng)力的影響，在設(shè)計中引入形狀系數(shù)M，其計算壁厚公式為： 20.5itMPcRS

4、Pc 碟形封頭的形狀系數(shù)M值134RiMr標(biāo)準(zhǔn)碟形形封頭n 當(dāng)?shù)畏忸^的球面內(nèi)半徑 Ri=0.9Di ，過渡圓弧內(nèi)半徑 r = 0.17Di時，稱為標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭。此時M =1.325，于是標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭的計算壁厚公式為： 1.220.5tPcDiSPc n 國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭的有效壁厚Se應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%,其他碟形形封頭的有效壁厚應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.30%。n 碟形封頭的最大允許工作壓按下式計算： 20.5tSePwMDiSe 封頭與筒體的聯(lián)接n 封頭與筒體可用法蘭聯(lián)接，也可用焊接聯(lián)接，但必須采用對接接頭，如果厚度不同，可按右圖示處理。四、球冠形封頭n球冠形封頭又稱為無

5、折邊球形封頭。n 球冠形封頭多數(shù)情況下用作容器中兩獨立受壓室的中間封頭，也可作端封頭（圖4-7）封頭與筒體聯(lián)接處必須采用全焊透結(jié)構(gòu)，因此，應(yīng)適當(dāng)控制封頭厚度以保證全焊透結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量。應(yīng)控制n Ri=0.71.0Di球冠形封頭的設(shè)計n 當(dāng)承受內(nèi)壓時，在球冠形封頭內(nèi)將產(chǎn)生拉應(yīng)力，但次應(yīng)力并不大，然而在封頭與筒壁聯(lián)接處，卻存在著很大的局部邊緣應(yīng)力，因此，在確定球冠形封頭的壁厚時，重點應(yīng)放在上述這些局部應(yīng)力上。n n 受內(nèi)壓球冠形封頭的計算壁厚按下式計算： 2tQPcDiSPc n 在任何情況下，與球冠形封頭聯(lián)接的圓筒厚度應(yīng)不小于封頭厚度。否則，應(yīng)在封頭與圓筒間設(shè)置加強(qiáng)段過度連接。圓筒加強(qiáng)段的厚度于

6、封頭等厚；加強(qiáng)段長度L均不小于2 0.5DiS五、錐形封頭n 錐形封頭廣泛應(yīng)用于許多化工設(shè)備的底蓋，它的優(yōu)點是便于收集與卸出這些設(shè)備中的固體物料。此外，一些塔設(shè)備上、下部分的直徑不等，也常用錐形殼體將直徑不等的兩段塔體連接起來。n受內(nèi)壓的錐形封頭的最大應(yīng)力在錐殼的大端，其值為：n其強(qiáng)度條件為：n由此可得計算壁厚公式為：n 3-281max2 cosPDS 1max2costPDS 1cos2tPcDcScPc 錐形封頭的受力分析n 按上式計算的錐形封頭壁厚，由于沒有考慮封頭與筒體連接處的邊緣應(yīng)力，因而此壁厚往往是不夠的。需在考慮上述邊緣應(yīng)力的基礎(chǔ)上，建立一些補(bǔ)充的設(shè)計公式。降低邊緣應(yīng)力的方法n

7、一、將連接處附近的封頭及筒體的壁厚增大，這種方法叫做局部補(bǔ)強(qiáng)。n二、在封頭與筒體間增加一個過渡圓弧，則整個封頭由錐體、過渡圓弧及高度為的直邊三部分組成。1、受內(nèi)壓無折邊錐形封頭n（1）錐殼大端連接處的壁厚n對于錐殼大端，當(dāng)錐殼半頂角300時，可采用無折邊結(jié)構(gòu)；當(dāng)300時，應(yīng)采用帶過渡段的折邊結(jié)構(gòu)，見圖4-13，否則應(yīng)按應(yīng)力分析法進(jìn)行設(shè)計。錐殼大端的壁厚：n 以與半頂角值查圖3-20，當(dāng)其交點位于曲線之上時，不必局部加強(qiáng)，其壁厚按（3-28）式計算。當(dāng)其交點位于曲線之下方時，則需要局部加強(qiáng)，錐殼和圓筒加強(qiáng)段厚度需相同，其加強(qiáng)區(qū)計算壁厚按（3-29）式計算： 3-292tQPcDiSPc最大角度，

8、圖圖3-32確定錐體大端與筒體確定錐體大端與筒體連接處的加強(qiáng)圖連接處的加強(qiáng)圖n 式中系數(shù)由圖3-16查得，遇中間值用內(nèi)插法。加強(qiáng)段的厚度不得小于相連接的錐殼厚度。錐殼加強(qiáng)段的長度應(yīng)不小于；n圓筒加強(qiáng)段的長度應(yīng)不小于。0.52cosDiSr2 0.5DiSr（2）錐殼小端連接處的壁厚n對于錐殼小端，當(dāng)錐殼半頂角450時，可采用無折邊結(jié)構(gòu)；當(dāng)450時，應(yīng)采用帶過渡段的折邊結(jié)構(gòu)。n n n 錐殼小端的壁厚：以與半頂角值查圖3-22，當(dāng)其交點位于曲線之上時，不必局部加強(qiáng)，其壁厚按（3-28）式計算。當(dāng)其交點位于曲線之下方時，則需要局部加強(qiáng)，錐殼和圓筒加強(qiáng)段厚度需相同，其加強(qiáng)區(qū)計算壁厚按（3-30）式計

9、算： n （3-30） 2tQPcDisSPc 確定錐體小端與筒體連接處的加強(qiáng)圖確定錐體小端與筒體連接處的加強(qiáng)圖 n式中為系數(shù)，由圖3-21查得，遇中間值用內(nèi)插法。n加強(qiáng)段的厚度不得小于相連接的錐殼厚度。錐殼加強(qiáng)段的長度L1應(yīng)不小于n ；n圓筒加強(qiáng)段的長L2度應(yīng)不小于 。D isSrC O SDisSr受內(nèi)壓無折邊錐形封頭設(shè)計總結(jié)n 綜上所述，無折邊錐殼的厚度：當(dāng)無折邊錐殼大端或小端，或大、小端同時具有加強(qiáng)段時，應(yīng)按（3-28）式、（3-29）式和（3-30）式分別確定各部分厚度。如考慮只由一種厚度組成時，則應(yīng)取上述各部分厚度中的最大值作為無折邊錐殼的厚度。2、受內(nèi)壓折邊錐形封頭n 當(dāng)錐殼大端

10、的半頂角300時，當(dāng)錐殼小端的半頂角450時，應(yīng)采用帶過渡段的折邊結(jié)構(gòu)。n 大端折邊錐殼的過渡段轉(zhuǎn)角內(nèi)半徑r應(yīng)不小于封頭大端內(nèi)直徑Di的10%，且不小于該過渡段厚度的3倍.n 小端折邊錐殼的過渡段轉(zhuǎn)角內(nèi)半徑r應(yīng)不小于封頭小端內(nèi)直徑Dis的5%，且不小于該過渡段厚度的3倍.n(1)錐殼大端n 折邊錐殼厚度按下述之（3-29）式和（3- 30）式計算，取其較大值。nA、過渡段厚度： （3-31）nB、與過渡段相連接處的錐殼厚度： n （3- 32） 20.5tKPcDiSPc 20.5tfPcDiSPc 表表3-10 系數(shù)系數(shù)K值值n（2）錐殼小端n 當(dāng)錐殼半頂角450時，若采用小端無折邊，其小端

11、厚度按（4-28）式計算，如需采用小端有折邊，其小端過渡段厚度仍按（4-28）式計算，式中系數(shù)，由圖4-18查取。當(dāng)錐殼半頂角450時，其小端過渡段厚度仍按（4-28）式計算，但式中系數(shù)，由圖4-19查取。n n 與過渡段相接的錐殼和圓筒加強(qiáng)段厚度應(yīng)與過渡段厚度相同。錐殼加強(qiáng)段的長度L1應(yīng)不小于:n n圓筒加強(qiáng)段的長度L2應(yīng)不小于:cosD isSrDisSr折邊錐殼的厚度設(shè)計總結(jié)n 綜上所述，折邊錐殼的厚度：當(dāng)錐殼大端或大、小端同時具有過渡段時，應(yīng)按（4-27）式，（4-30）式和（4-29）式分別確定各部分厚度。如考慮只由一種厚度組成時，則應(yīng)取上述各部分厚度中的最大值作為折邊錐殼的厚度。n

12、 當(dāng)錐殼半頂角600時，其厚度可按平蓋計算，也可用應(yīng)力分析方法確定。n 標(biāo)準(zhǔn)帶折邊錐形封頭有半頂角為300及450兩種，錐體大端過渡區(qū)圓弧半徑r=0.15Di 。六、平板封頭n 平板封頭的幾何形狀有圓形、橢圓形、長圓形、矩形和方形等。n 對于周邊固定（夾持）受均布載荷的圓平板n 其最大應(yīng)力是徑向彎曲應(yīng)力，產(chǎn)生在圓板的邊緣（圖3-25），其值由下式計算： n （3-33） 222max330.188416RDDPPPSSS對于周邊簡支受均布載荷的圓平板n 其最大應(yīng)力產(chǎn)生在圓板的中心，且此時此處的徑向彎曲應(yīng)力與切向彎曲應(yīng)力相等（圖3-26），其值由下式計算： n （3-34）2220.3m ax3

13、 31.240.318P RDDPPSSS 當(dāng) 取時平板封頭計算公式n 根據(jù)強(qiáng)度條件：由（3-33）式和（4-34）式即可得到相應(yīng)的圓平板封頭厚度的計算公式： n 周邊固定（夾持）n n 周邊簡支 0.188tPSD0.31tPSDn 由（4-33）式和（3-34)式可知，薄板的最大彎曲應(yīng)力與（R/S )2成正比，而薄殼的最大拉（壓）應(yīng)力與R/S成正比。因此，在相同的R/S和相同的載荷的情況下，薄板的所需厚度要比薄殼大得多，即在相同操作壓力下，平板封頭要比凸形封頭厚得多。n 對于壓力容器的人孔、手孔等在操作時需要用盲板封閉的地方，廣泛采用平板蓋。此外，在高壓容移中，平板封頭用得較為普遍。這是因

14、為高壓容器的封頭很厚，直徑又相對較小，凸形封頭的制造較為困難。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，半球形封頭在高壓容器中已經(jīng)開始應(yīng)用，但到目前為止，平板封頭仍然是高壓容器應(yīng)用得最多的一種形式。 表4-15平板封頭系數(shù)Kn 以上兩種情況的壁厚計算公式形式相同，惟系數(shù)不同。由于實際上平板封頭的邊緣支撐情況很難確定，它不屬于純剛性固定也不屬于純簡支的情況，往往是介于這兩種情況之間，既系數(shù)在0.1880.13之間.n 對于平板封頭的設(shè)計，在有關(guān)化工容器設(shè)計規(guī)定中，利用一個結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K，將平板封頭厚度的設(shè)計公式歸納為：tKPSDc七、例題n例題3-1 某化工廠欲設(shè)計一臺石油氣分離中的乙烯精餾塔。工藝參數(shù)為：塔體內(nèi)徑D

15、i = 600 mm，計算壓力為Pc=2.2MPa，工作溫度為 t=320 0C。試選擇塔體材料并確定塔體壁厚和封頭型式與尺寸.n解 (1) 選材n由于石油氣對鋼材的腐蝕不大，溫度在320 0C，壓力為中壓，故選用16 MnR 。n(2) 確定參數(shù)nPc =2.2 Mpa; Di=600 mm; t =170 MPan=0. 8（采用帶墊板的單面焊對接接頭，局部無損擦傷），n取C21 mm。n(3）計算壁厚22.260021700.82.24.9tPcDiSPcn設(shè)計壁厚 Sd=S+C2=4.9+1.0=5.9(mm)n根據(jù)計算壁厚4.9 mm，加上C2后為5.9 mm，查表3-4得C1= 0.6 mm，n則 C=C1+C2=1. 6mm，n故 4.9C4.91.66.5 (mm）n 圓整后取厚度為Sn=7 mm（根據(jù)表3-4復(fù)驗名義厚度為7 mm時鋼板厚度負(fù)偏差仍為C1=0.6(