內(nèi)壓容器封頭的設(shè)計(jì)

內(nèi)壓容器封頭的設(shè)計(jì)第一頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.1凸形封頭容器封頭又稱端蓋，是容器的重要組成部分，按其形狀可分為三類：凸形封頭、錐形封頭和平板形封頭。其中凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、蝶形封頭、球冠形封頭四種。10.1.1半球形封頭半球形封頭是由半個(gè)球殼組成的，它的計(jì)算厚度公式與球殼相同。特點(diǎn)：①受力較理想，設(shè)計(jì)壁厚只有同直徑圓筒體的一半。②制造較困難，對于Di>2.5m的半球形封頭，多采用拼焊。見圖10-1半球形封頭用途：多用于大型高壓容器，較大的貯罐。

第二頁，共二十五頁，2022年，8月28日圖10-1半球形封頭DiRiδ第三頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.1凸形封頭10.1.2橢圓形封頭封頭的母線為半橢圓形，為了避免在封頭與圓筒連接處設(shè)置焊縫，并設(shè)有直邊，h0=25mm、40mm、50mm三種。DiδRi(a)hi(b)h0第四頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.1凸形封頭應(yīng)力計(jì)算采用二倍于相同筒體直徑時(shí)，半球形封頭的應(yīng)力計(jì)算公式。考慮到長短軸比值Di/2hi不同應(yīng)力分布規(guī)律不同，引入橢圓形封頭的形狀系數(shù)K對計(jì)算厚度進(jìn)行修正。第五頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.1凸形封頭橢圓形封頭的最大允許工作壓力按下式計(jì)算：標(biāo)準(zhǔn)型橢圓形封頭已標(biāo)準(zhǔn)化（JB/T4737-95)，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)公稱直徑和厚度選取。對于內(nèi)經(jīng)為1600mm，名義厚度為18mm,材質(zhì)為16MnR的橢圓形封頭可標(biāo)記為：橢圓封頭DN1600×18-16MnRJB/T4737第六頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.1凸形封頭10.1.3碟形封頭碟形封頭又稱帶折邊的球形封頭，有三部分組成：以Ri為半徑的球面，以r為半徑的過度圓弧和高度為h0=25mm、40mm、50mm的直邊，見圖10-3。δi=Dih0圖10-3碟形封頭第七頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.1凸形封頭1.碟形封頭的優(yōu)點(diǎn)：便于手工加工成型，只要有球面模具就可以用人工鍛打的方法成型，且可以在安裝現(xiàn)場制造。2.碟形封頭的缺點(diǎn)：球面部分過渡區(qū)的圓弧部分及直邊部分的連接處曲率半徑有突變，有較大的邊緣應(yīng)力產(chǎn)生。3.為避免局部應(yīng)力過高，規(guī)定：Ri≤Di，r/Di≥0.1，且r≥3δn。第八頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.1凸形封頭4.厚度計(jì)算：考慮到邊緣應(yīng)力的影響，設(shè)計(jì)中引入形狀系數(shù)M，厚度計(jì)算公式如下：5.標(biāo)準(zhǔn)封頭：Ri=0.9Di，r=0.17Di，M=1.325。標(biāo)準(zhǔn)封頭的厚度計(jì)算公式可寫成如下形式：6.最大工作壓力：第九頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.1凸形封頭10.1.4球冠形封頭將蝶形封頭的直邊及過渡圓弧部分去掉，球面部分直接焊在筒體上，既為球冠形封頭。也稱無折邊球形封頭。封頭的焊接結(jié)構(gòu)如圖10-4所示。LδDiRiδ∠1:3LδDiRiδ∠1:3L∠1:3圖10-4球冠形封頭和中間封頭第十頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.1凸形封頭封頭球面內(nèi)半徑Ri控制為圓筒體內(nèi)直徑Di的0.7～1.0倍。當(dāng)容器受內(nèi)壓時(shí)，在球形封頭內(nèi)將產(chǎn)生拉應(yīng)力，這個(gè)力只是筒體環(huán)向應(yīng)力的一半，而封頭與筒體的連接處，卻存在著較大的局部邊緣應(yīng)力，見圖10-5所示。受內(nèi)壓球冠形封頭的計(jì)算厚度按下式確定：QNTp圖10-5球冠形封頭與筒體聯(lián)接邊緣的受力圖L第十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.2錐形封頭10.2.1錐形封頭的受力分析錐形封頭在同等條件下與其它封頭比較，其受力情況較差，其中一個(gè)主要原因是因?yàn)殄F形封頭與圓筒連接處的轉(zhuǎn)折較為厲害，故曲率半徑發(fā)生突變而產(chǎn)生邊緣力的緣故。假設(shè)錐形封頭大端邊界上每單位長度的徑向力用T表示，而沿軸向的分力以q表示，沿徑向的分力以q0表示。如圖10-6所示。pq0TqTq0qpTqqq0Tq0q0σ1σ2圖10-6錐形封頭的橫推力第十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.2錐形封頭10.2.2降低連接處的邊緣應(yīng)力的方法1.使連接處附近的封頭及筒體厚度增大，即采用局部加強(qiáng)法。見圖10-8是局部加強(qiáng)的無折邊錐形封頭。DiδDisδ2αDiδDisδ2αδrδr圖10-8局部加強(qiáng)的無折邊錐形封頭圖10-7無局部加強(qiáng)的無折邊錐形封頭第十三頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.2錐形封頭2.在封頭與筒體間增加一個(gè)過渡圓弧，則整個(gè)封頭由錐體、過渡圓弧及高度為h0的直邊三部分構(gòu)成，稱折邊錐形封頭。圖10-9大端折邊錐形封頭DisαrsδrrδDi圖10-10折邊錐形封頭第十四頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.2錐形封頭10.2.3錐形封頭的結(jié)構(gòu)要求及計(jì)算①對于α≤600的軸對稱無折邊或折邊錐殼，有兩種不同的計(jì)算方法，可參見GB150-1998，另外需要時(shí)錐殼可以由同一半錐角的幾個(gè)不同厚度的錐殼組成。第十五頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.2錐形封頭②對于錐殼大端，當(dāng)錐殼半錐角α≤300時(shí)，可以采用無折邊結(jié)構(gòu)；當(dāng)α＞300時(shí)，應(yīng)采用帶過渡段的折邊結(jié)構(gòu)，否則應(yīng)按應(yīng)力分析的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。③大端錐殼的過渡段轉(zhuǎn)角半徑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。④對于錐殼小端，當(dāng)錐殼半錐角α≤450時(shí)，可以采用無折邊結(jié)構(gòu)；當(dāng)α＞450時(shí)，應(yīng)采用帶過渡段的折邊結(jié)構(gòu)。⑤小端錐殼的過渡段轉(zhuǎn)角半徑rs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。⑥當(dāng)錐殼半錐角α＞600時(shí)，其厚度可按平蓋計(jì)算，也可用應(yīng)力分析方法確定。錐殼與筒體的連接應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)。第十六頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.2錐形封頭10.2.4錐形封頭的標(biāo)準(zhǔn)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。JB/T4738-95為900折邊錐形封頭，JB/T4739-95為600折邊錐形封頭，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選用。第十七頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.3

平板封頭平板封頭也稱平蓋，是化工容器或設(shè)備廠采用的一種封頭。它主要用于常壓和低壓的設(shè)備上，或者高壓小直徑的設(shè)備上。1.平板封頭的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，故也常作為可拆的人孔蓋、換熱器端蓋等。但平蓋與凸形封頭相比，主要承受彎曲應(yīng)力的作用。2.平蓋的連接方式①不可拆的平蓋，教材138頁表10-4中序號1～11，采用整體鍛造或用平板焊接。②可拆卸的平蓋，教材表10-4中序號12、13、14，用螺栓固定，靠壓緊墊片密封。第十八頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.3

平板封頭3.圓形平蓋厚度的計(jì)算對于表10-4中序號1～12所示的平蓋計(jì)算厚度按下式確定:第十九頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.3

平板封頭4.非圓形平蓋厚度的計(jì)算①對于表10-4中序號3、4、5、6、10、11、12所示平蓋，按下式計(jì)算：②對于表10-4中序號13、14所示平蓋，按下式計(jì)算：式中：Z-非圓形平蓋的形狀系數(shù)，，且Z≤2.5a-非圓形平蓋的短軸長度，mm;b-非圓形平蓋的長軸長度，mm。第二十頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.4封頭的結(jié)構(gòu)特性及選擇封頭的結(jié)構(gòu)形式是由工藝過程、承載能力、制造技術(shù)方面的要求而決定的，其選用主要根據(jù)設(shè)計(jì)對象的要求。各種封頭的優(yōu)缺點(diǎn)見以下說明。1.半球形封頭是由半個(gè)球殼構(gòu)成，就單位容積的表面積來說，為最小；需要的厚度是同樣直徑的圓筒的二分之一；從受力來看，球形封頭是最理想的結(jié)構(gòu)形式；但缺點(diǎn)是深度大，直徑小時(shí)，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓，其拼焊工作量也較大。2.橢圓形封頭是由半個(gè)橢球面和一圓柱直邊段組成，它與碟形封頭的容積和表面積基本相同，它的應(yīng)力情況不如半球形封頭均勻，但比碟形封頭要好。第二十一頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.4封頭的結(jié)構(gòu)特性及選擇對于a/b=2的標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭與厚度相等的筒體連接時(shí)，可以達(dá)到與筒體等強(qiáng)度。橢圓形封頭吸取了碟形封頭深度淺的優(yōu)點(diǎn)，用沖壓法易于成型，制造比球形封頭容易。3.碟形封頭是球面、過渡段以及圓柱直邊段三個(gè)不同曲面組成。雖然由于過渡段的存在降低了封頭的深度，方便了成型加工，但是三部分連接處，由于經(jīng)線曲率發(fā)生突變，在過渡區(qū)邊界上不連續(xù)應(yīng)力比內(nèi)壓薄膜應(yīng)力大得多，故受力狀況不佳。它的制造常用沖壓、手工敲打、旋壓成型。4.球冠形封頭是部分球形封頭與圓筒直接連接，它結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，常用作容器中兩獨(dú)力受壓室的中間封頭，也可用作端蓋。第二十二頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.4封頭的結(jié)構(gòu)特性及選擇封頭與筒體連接處的角焊縫應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)。在球封頭與圓筒連接處其曲率半徑發(fā)生突變，且兩殼體因無公切線而存在橫向推力，所以產(chǎn)生相當(dāng)大的不連續(xù)應(yīng)力，這種封頭一般只能用于壓力不太高的場合。5.錐形封頭錐形封頭有兩種形式，無折邊和有折邊封頭。就強(qiáng)度而論，錐形封頭的結(jié)構(gòu)并不理想，但從受力來看，錐頂部分強(qiáng)度很高，故在錐尖開孔一般不需要補(bǔ)強(qiáng)。錐形封頭經(jīng)常作為流體的均勻引入和引出、懸浮或粘稠液體和固體顆粒等的排放、不同直徑圓筒的過渡件。錐形封頭可用滾壓成型和壓制成型，折邊部分可以壓制或敲打成型，但錐尖部分很難成型。第二十三頁，共二十五頁，2022年，8月28日10.4封頭的結(jié)構(gòu)特性及選擇6.平板封頭是各種封頭中結(jié)構(gòu)最簡單、制造最容易的一種封頭形式。對于同樣直徑和壓力的容器，采用平板封頭的厚度最大?？傊?，從受力情況來看，半球形封頭最好，橢圓形、碟形次之，球冠形、錐形更次之，而平板最差。從制造角度來看，平板最容易，球冠形、錐形次之，碟形、橢圓形更次，而半球形最難。就使用而論，錐形有其特色，用于壓力不高的設(shè)備上，橢圓形封頭用于大多數(shù)中低壓容器的封頭，平板封頭用作常壓或直徑不大的高壓容器的封頭，球冠形封頭用作壓力不高的場合或容器中兩獨(dú)