陜西科技大學科目期末考試復習過程設備設計期末復習ppt之.3.3

4.3常規(guī)設計4.3.3

封頭設計第四章壓力容器設計CHAPTERⅣDesignofPressureVessels1過程設備設計4.3常規(guī)設計

4.1概述

4.2設計準則

4.3常規(guī)設計

4.4分析設計

4.5疲勞分析

4.6壓力容器設計技術進展

4.3.3封頭設計

4.3.4密封裝置設計4.3.5開孔和開孔補強設計4.3.6支座和檢查孔4.3.7安全泄放裝置4.3.2圓筒設計4.3.1概述4.3.8焊接結構設計4.3.9壓力試驗2過程設備設計4.3.3封頭設計4.3.3

封頭設計封頭種類凸形封頭錐殼變徑段平蓋緊縮口半球形封頭橢圓形封頭碟形封頭球冠形封頭34.3.3封頭設計過程設備設計a.半球形封頭b.橢圓形封頭c.碟形封頭d.球冠形封頭圖4-15常見容器封頭的形式4.3.3

封頭設計過程設備設計4.3.3封頭設計4封頭設計：優(yōu)先選用封頭標準中推薦的型式與參數(shù)，根據(jù)受壓情況進行強度或剛度計算，確定合適的厚度。內(nèi)壓封頭強度計算：受力：薄膜應力＋不連續(xù)應力計算：內(nèi)壓薄膜應力＋應力增強系數(shù)4.3.3封頭設計過程設備設計4.3.3

封頭設計5過程設備設計薄膜應力為相同直徑圓筒體的一半，最理想的結構形式。4.3.3.1凸形封頭一、半球形封頭半球形封頭為半個球殼，如圖4-15（a）所示。1.受內(nèi)壓的半球形封頭優(yōu)點缺點深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量也較大。應用高壓容器。半球形封頭厚度計算公式：（4-40）式中Di—球殼的內(nèi)直徑，mm。適用范圍：為滿足彈性要求，適用Pc≤0.6[σ]tφ，相當于K≤1.334.3.3封頭設計6過程設備設計2.受外壓的半球形封頭推導過程：鋼制半球形封頭彈性失穩(wěn)的臨界壓力為：工程上：圖算法。取穩(wěn)定性安全系數(shù)m=14.52，得球殼許用外壓力：（4-41）令根據(jù)

得4.3.3.1凸形封頭4.3.3.1凸形封頭7過程設備設計將[p]代入式（4-41）得（4-42）由B和[p]的關系式得半球形封頭的許用外壓力為：（4-43）4.3.3.1凸形封頭4.3.3.1凸形封頭8過程設備設計a.假定名義厚度δn，令δe=δn-C，用式（4-42）計算出A，根據(jù)所用材料選用厚度計算圖，由A查取B，再按式（4-43）計算許用外壓力[p]。圖算步驟：b.若A值落在設計溫度下材料線左方，用式（4-41）計算[p]。若[p]≥pc且較接近，則該封頭厚度合理；否則重新假設δn，重復上述步驟，直到滿足要求為止。不用幾何算圖4.3.3.1凸形封頭4.3.3.1凸形封頭9過程設備設計二、橢圓形封頭4.3.3.1凸形封頭4.3.3.1凸形封頭10過程設備設計二、橢圓形封頭（續(xù)）

避免封頭和筒體的連接焊縫處出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。由半個橢球面和短圓筒組成，如圖4-15（b）所示。直邊段作用：中、低壓容器。應用：(1)受內(nèi)壓（凹面受壓）的橢圓形封頭受力：薄膜應力＋不連續(xù)應力。4.3.3.1凸形封頭4.3.3.1凸形封頭11過程設備設計

在一定條件下，橢圓形封頭中的最大應力和圓筒周向薄膜應力的比值，與橢圓形封頭長軸與短軸之比的關系有關，見圖4-16中虛線。K——應力增強系數(shù)或橢圓封頭的形狀系數(shù)，即，即，4.3.3.1凸形封頭（4-44）4.3.3.1凸形封頭封頭上最大總應力球殼上薄膜應力=2K封頭上最大總應力圓筒上周向薄膜應力=K12過程設備設計用半徑為Di的半球形封頭厚度乘以K，即（4-45）橢圓形封頭厚度計算式：4.3.3.1凸形封頭4.3.3.1凸形封頭13過程設備設計當Di/2hi=2，標準橢圓形封頭，K=1，厚度計算式為（4-46）橢圓形封頭最大允許工作壓力：（4-47）采用限制橢圓形封頭最小厚度，GB150規(guī)定標準橢圓形封頭的有效厚度應不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%，非標準橢圓形封頭的有效厚度應不小于0.30%。周向失穩(wěn)：4.3.3.1凸形封頭4.3.3.1凸形封頭14過程設備設計(2)受外壓橢圓形封頭Ro由橢圓形封頭的當量球殼外半徑Ro=K1Do代替，K1值是橢圓長短軸比值Do/（2ho）（ho=hi+δn）決定的系數(shù)，由表4-5（遇中間值用內(nèi)插法求得）查得。相同：不同：外壓穩(wěn)定性計算公式和圖算法步驟同受外壓的半球形封頭；2.62.42.22.01.81.61.41.21.0

K11.181.080.990.900.810.730.650.570.50表4-5系數(shù)K1Do/2ho4.3.3.1凸形封頭4.3.3.1凸形封頭15過程設備設計三、碟形封頭不連續(xù)曲面，存在較大邊緣彎曲應力。邊緣彎曲應力與薄膜應力疊加，使該部位的應力遠遠高于其它部位，故受力狀況不佳。結構帶折邊球面封頭，由半徑為Ri的球面體、半徑為r的過渡環(huán)殼和短圓筒等三部分組成，見圖4-15（c）。優(yōu)點過渡環(huán)殼降低了封頭深度，方便成型，且壓制碟形封頭的鋼模加工簡單，應用廣泛。缺點4.3.3.1凸形封頭4.3.3.1凸形封頭16過程設備設計(1)受內(nèi)壓碟形封頭

據(jù)此，由半球殼厚度計算式乘以M可得碟形封頭的厚度計算式引入碟形封頭應力增強系數(shù)M，是以球面部分最大總應力為基礎的近似修正系數(shù)，見下式4.3.3.1凸形封頭4.3.3.1凸形封頭（4-48）（4-49）17過程設備設計承受內(nèi)壓碟形封頭的最大允許工作壓力：(1)受內(nèi)壓（凹面受壓）碟形封頭

（4-50）封頭r≥0.01Di，r≥3δ，且Ri≤Di。規(guī)定：標準碟形封頭，Ri=0.9Di，r=0.17Di。同橢圓形封頭，GB150規(guī)定，標準碟形封頭，其有效厚度應不小于內(nèi)直徑的0.15%，其它碟形封頭的有效厚度應不小于0.30%。周向失穩(wěn)4.3.3.1凸形封頭4.3.3.1凸形封頭18過程設備設計(2)受外壓碟形封頭

碟形封頭的過渡區(qū)承受拉應力，球面部分是壓應力，有發(fā)生失穩(wěn)的潛在危險，此為防失穩(wěn)，厚度計算仍可用半球形封頭外壓計算公式和圖算法步驟，只是Ro用球面部分外半徑代替。結構簡單、制造方便，常用作容器中兩獨立受壓室中間封頭，端蓋。無轉(zhuǎn)角過渡，存在相當大的不連續(xù)應力，其應力分布不甚合理。四、球冠形封頭碟形封頭當r=0時，球面與筒體直接連接，如圖4-15（d）所示優(yōu)點：缺點：4.3.3.1凸形封頭4.3.3.1凸形封頭19過程設備設計4.3.3.1凸形封頭式（4-48）圖4-17碟形封頭的應力增強系數(shù)4.3.3.1凸形封頭20過程設備設計4.3.3.2

錐殼軸對稱錐殼無折邊錐殼折邊錐殼特點：結構不連續(xù)，應力分布不理想4.3.3.2錐殼應用排放固體顆粒和懸浮或粘稠液體不同直徑圓筒體的中間過渡段中、低壓容器21過程設備設計4.3.3.2錐殼（a）無折邊錐殼；（b）大端折邊錐殼；（c）折邊錐殼結構：圖4-18錐殼結構形式錐殼大端：半頂角α≤30°，無折邊結構

α＞30°，帶過渡段的折邊結構，或按應力分析方法設計。轉(zhuǎn)角半徑r：不小于Di的10%，且不小于該過渡段厚度的3倍。4.3.3.2

錐殼22過程設備設計錐殼小端：半頂角α≤45°，無折邊結構；

α＞45°，帶過渡段的折邊結構。轉(zhuǎn)角半徑rs：不小于封頭小端內(nèi)徑Dis的5%，且不小于該過渡段厚度的3倍。半頂角α＞60°：厚度按平蓋計算，或應力分析方法。強度：受力：薄膜應力＋邊緣應力。設計：分別計算錐殼厚度、錐殼大端和小端加強段厚度。若考慮只有一種厚度時，取最大值。4.3.3.2錐殼4.3.3.2

錐殼23過程設備設計由無力矩理論，最大薄膜應力為錐殼大端的周向應力σθ，即一、受內(nèi)壓無折邊錐殼1.錐殼厚度由第一強度理論和彈性失效設計準則，并取D=Dc+δccosα，厚度計算式：（4-51）式中Dc—錐殼計算內(nèi)直徑，mm；δc—錐殼計算厚度，mm；α—錐殼半頂角，（°）。注：當錐殼由同一半頂角的幾個不同厚度的錐殼段組成時，Dc為各錐殼段大端內(nèi)直徑。4.3.3.2錐殼4.3.3.2

錐殼24過程設備設計邊緣應力具有自限性，最大應力限制在3[σ]t內(nèi)。按此條件求得的p/（[σ]tφ）及α之間關系見圖4-19。(2)錐殼大端

分析錐殼大端與筒體連接處，曲率突變；兩殼體經(jīng)向內(nèi)力不能完全平衡，產(chǎn)生橫向推力；邊緣應力

無需加強：坐標點（p/（[σ]tφ）、α）位于圖中曲線上方，厚度仍按式（4-51）需要加強：坐標點（p/（[σ]tφ）、α）位于圖中曲線下方，厚度計算（4-52）：4.3.3.2錐殼4.3.3.2

錐殼25過程設備設計(2)錐殼大端（續(xù)）圖4-19確定錐殼大端連接處的加強圖4.3.3.2錐殼4.3.3.2

錐殼26過程設備設計（4-52）(2)錐殼大端（續(xù)）式中Di—錐殼大端內(nèi)直徑，mm；Q—應力增值系數(shù)，由圖4-20查取；

δr—錐殼及其相鄰圓筒體的加強段的計算厚度，mm。注：錐殼加強段與筒體加強段應具有相同的厚度加強段的厚度不得小于相連接的錐殼厚度錐殼加強段的長度L1：筒體加強段的長度L：與大端相類似，參見文獻[2]。(3)錐殼小端4.3.3.2錐殼4.3.3.2

錐殼27圖4-20錐殼大端連接處的Q值4.3.3.2錐殼過程設備設計28過程設備設計（1）錐殼厚度：仍按式（4-51）計算。（2）錐殼大端：厚度按式（4-53）、（4-54）計算，并取較大值：二、受內(nèi)壓折邊錐殼錐殼大端過渡段厚度：（4-53）式中K—系數(shù)，查表4-6（遇中間值時用內(nèi)插法）。與過渡段相接處錐殼厚度：

（4-54）式中f—系數(shù)，查表4-7（遇中間值時用內(nèi)插法）；r—折邊錐殼大端過渡段轉(zhuǎn)角半徑，mm。4.3.3.2錐殼4.3.3.2

錐殼29過程設備設計r/Di0.100.150.200.300.400.5010°0.66440.61110.57890.54030.51680.500020°0.69560.63570.59860.55220.52230.500030°0.75440.68190.63570.57490.53290.500035°0.79800.71610.66290.59140.54070.500040°0.85470.76040.69810.61270.55060.500045°0.92530.81810.74400.64020.56350.500050°1.02700.89440.80450.67650.58040.500055°1.16080.99800.88590.72490.60280.500060°1.35001.14331.00000.79230.63370.5000表4-6系數(shù)K值4.3.3.2錐殼30過程設備設計小端過渡段厚度需另行計算，見文獻[2]。（3）錐殼小端：半頂角α≤45°：小端厚度按無折邊錐殼小端厚度的計算方法計算；小端無折邊：小端有折邊：4.3.3.2錐殼4.3.3.2

錐殼31過程設備設計

r/Di0.100.150.200.300.400.5010°0.50620.50550.50470.50320.50170.500020°0.52570.52250.51930.51280.50640.500030°0.56190.55420.54650.53100.51550.500035°0.58830.55730.56630.54420.52210.500040°0.62220.60690.59160.56110.53050.500045°0.66570.64500.62430.58280.54140.500050°0.72230.69450.66680.61120.55560.500055°0.79730.76020.72300.64860.57430.500060°0.90000.85000.80000.70000.60000.5000表4-7系數(shù)f值二、受內(nèi)壓折邊錐殼(續(xù))4.3.3.2錐殼4.3.3.2

錐殼32過程設備設計三、受外壓錐殼

α≤60°：按等效圓筒體計算；α＞60°：按平蓋計算。假設錐殼名義厚度δne——計算錐殼有效厚度δec=（δnc-C）cosα——按外壓圓筒體的圖算法進行外壓校核計算——以Le/DL代替L/Do，DL/δec代替Do/δe。（1）外壓錐殼的計算錐殼大端或小端和筒體連接處存在壓縮強度和周向穩(wěn)定性問題，在必要時應設置加強結構。（2）錐殼與筒體連接處的外壓加強設計Le：錐殼當量長度，有相應計算公式；DL：所考慮的錐殼段的大端外直徑4.3.3.2錐殼4.3.3.2

錐殼33過程設備設計4.3.3.3

平蓋理論分析：以圓平板應力分析為基礎，分為周邊固支或簡支；實際上：介于固支和簡支之間；工程計算：采用圓平板理論為基礎的經(jīng)驗公式，通過系數(shù)K來體現(xiàn)平蓋周邊的支承情況，K值越小,平蓋周邊越接近固支；

反之就越接近于簡支。

這些平蓋厚度可按下述方法計算：幾何形狀：圓形、橢圓形、長圓形、矩形及正方形等。4.3.3.3平蓋34過程設備設計平蓋的最大應力一、圓形平蓋厚度（4-55）考慮鋼板拼焊由式（4-3）得圓形平蓋厚度計算公式：4.3.3.3平蓋4.3.3.3

平蓋35過程設備設計（4-56）式中δp—平蓋計算厚度，mm；

K—結構特征系數(shù)，查表4-8；

Dc—平蓋計算直徑，見表4-8中簡圖，mm。對于表4-8