压力容器封头设计要求.docx

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压力容器封头设计要求

压力容器封头设计要求

压力容器封头，常见的形式有凸形封头（包括半球形封头、椭圆形封头，碟形封头、球冠形封头）、锥形封头、变径段、平盖等。

1．球形封头

半球形封头由球壳的一半作成。

在内压作用下，半球形封头计算厚度按球壳确定。

半球形封头与其他形状的封头相比，封头内壁产生应力最小，因此它所需要的壁厚最薄，用材比较节省。

但半球形封头深度大、制造比较困难，尤其加工设备条件较差的中小型设备制造厂困难

更大。

而对于大直径（Di＞3m）的半球形可用数块钢板在大型水压机成型后拼焊而成。

半球形封头还用于高压容器上代替平封头，以节省钢材。

由于球壳的环向应力和径向应力相等，半球形封头计算厚度式中焊接接头系数按环焊缝。

2．椭圆形封头

椭圆形封头纵剖面的曲线部分是半个椭圆形，椭圆形各部分

的薄膜应力σm、σθ随着X值的变化而变化，而且与长短轴的比值a/b

有关。

现将几个特殊点应力值列出。

椭圆封头各特殊点的应力值

坐标位置经向应力σm环向应力σθ

椭圆形封头顶点位置

pa

a

pa

a

2

b

2

b

椭圆形封头底边上位置

pa

pa（2

a

2

2

2

）

2

b

σ

=

P

a4y2

b4x2

m

2

b2

σ

=

Pa4y2

b4x2

a4b2

1

θ

b

2

2a4y2

b4y2

σmax=σθ=σm=paa

2b

若令a=D，b=h，则上式

σman=pD

D

2

2

4h

D、h——椭圆形壳体中径及曲面高度。

根据第一强度理论，并考虑焊接接头系数φ，得

pD

D≤[σ]tφ

2

4h

得δ=

PcDi

D

2

t

0.5PC

4hi

a

Di

为标准椭圆形封头。

其环向应力分布图：

=2

b2hi

标准椭圆形封头计算厚度δ=

PcDi

t

0.5PC

2

对Di/2hi＞2的椭圆形封头，不仅边缘应力大，薄膜应力也大，所以在计算中必须考虑应力增强影响，在标准中，对椭圆形封头厚度计算公式进行适当修正，即

δ=

KPcDi

t

2

0.5PC

式中K——椭圆形封头形状系数

K=1[2+（Di）2]

62hi

对标准椭圆形封头的系数K=1

椭圆形封头的最大允许工作压力

[Pw]=2[]t

e

MPa

KDi

0.5e

从椭圆形壳体应力分析中知道壳体赤道处可能出现周向压应力，

为了使这部分壳体不致于失稳，对于K≤1的椭圆形封头，其有效厚

度应不小于封头内直径的0.15%。

K>1的椭圆形封头的有效厚度应不

小于0.30%Di。

3、碟形封头

碟形封头是由三部分组成。

第一部分是以半径为Ri的球面部分，

第二部分是以半径为Di/2的圆形部分，第三部分是连接这两部分的

过渡区，其曲率半径为r。

Ri与r均以内表面为基准。

b

ra

Ri

由于第一部分与第三部分是两个不同的曲面，故在交点ｂ处曲率半径有一个突然的变化，在b点处不仅由内压引起的拉应力，还有边缘力矩引起的边缘弯曲应力；在过渡区和圆筒部分交界点a处也有缘应力存在，其边缘应力的大小与Di/r有关。

当r/Di之比值愈小，即曲率变化愈厉害，则边缘应力愈大。

标准规定碟形封头球面部分的半径应不大于封头的内直径。

通常取Ri=（0.9或1）Di，这样碟形封头球面部分的应力与圆筒周向应力σθ相近。

即球面部分的厚度与圆筒厚度相近，便于制造。

同时还规定碟形封头过渡区半径r不小于封头

内直径的10%，这样就控制r/DI的大小，也就控制了边缘应力大小。

为了计算方便以球顶部分应力为基础，乘以折边部分的形状系数M，得出碟形封头的强度计算公式。

σ=MPR/2δ

考虑焊接接头系数φ，并用R=Ri+δ代入上式，简化后得

δ=

MPcRi

t

0.5PC

2

式中M——碟形封头形状系数

M=1（3+Ri）

4r

碟形封头的最大允许工作压力

[Pw]=2[]t

e

MRi

0.5e

从椭圆形壳体应力分析中知道壳体边缘到交点b可能出现周向压

应力，为了使这部分壳体不致于失稳，对于M≤1.34（Ri=0.9Di、

r=0.17Di）的碟形封头，其有效厚度应不小于封头内直径的0.15%。

M>1.34的碟形封头的有效厚度应不小于0.30%Di。

4、球冠形封头

由于无过渡区，在连接边缘有较大边缘应力，要求封头与筒体

联接处采用全焊头结构，计算公式以圆筒公式为基础，计入球壳

与筒体联接处的局部应力。

δ=

QPcDi

t

PC

2

系数Q根据Ri/DiPc/[σ]tφ来查取

5、锥形封头

锥形封头有轴对称的无折边锥封头和折边锥形封头以及非轴对称的无折边斜形封头。

对于轴对称的锥形封头大端

当锥壳半顶角α≤30℃时，可以采用无折边结构；

当α＞30℃时，应采用带过渡段的折边结构。

带折边的锥形封头由三部分组成，即锥形部分、半径为

r或

rs

的圆弧过渡部分和圆筒部分。

过渡部分是为了降低边缘应力

直边部分是为了避免边缘应力叠加在封头和筒体的连接焊缝上

（与碟形封头各部分作用类似）

1）轴对称内压无折边锥形封头

根据第一强度理论得σ1=σθ=PD?

1≤[σ]t

2

cos

将D=Di+δ代入上式，并考虑焊缝系数φ和壁厚附加量C，并经简化得出锥形封头的厚度计算公式

δ=

PcDi

1

2

t

PCcos

式中DC——锥体大端直径。

当锥体由同一半顶角的几个不同厚度的锥体段组成时，式中DC分别为各锥体段大端直径。

上式无折边封头适用于α≤30℃时，如按式算得的厚度很薄时，容易发生弯曲，这时壁厚需要适当加强，加强条件是根据连接边缘的

附加应力（二次应力）加薄膜应力≤3[σ]t，按此条件求得的P、[σ]t及α之间关系，可绘制成曲线。

当无折边封头α＞30℃时，边缘弯曲应力较大，锥体与筒体连接处应考虑另行加强或采用有折边锥形封头。

根据图坐标点（P/[σ]tφ，α）位于图中曲线上方，则无需加

强，壁厚仍按式计算，若坐标点（P/[σ]tφ，α）位于图中曲线下

方时，则需要增加厚度予以加强。

则应在锥形封头与圆筒之间设置加

强段，其加强段应与圆筒加强段具有相同的厚度。

δr=

QPcDi

t

PC

2

式中Q——应力增值系数。

在任何情况下，加强段的厚度不得小于相连接的锥形封头厚度。

其长度应不小于20.5Dir/cos；圆筒加强段的长度应不小于2

0.5Dir。

由于锥壳应力自锥项至锥底不一样，小端的应力小，大端应力大。

因此，在设计时两端壁厚可以不一样、根据以上方法同样可以得出小端连接处的厚度计算公式及判别是否需要加强的曲线。

无需加强的锥壳计算厚度

δ=

PcDis

1

mm

t

PCcos

2

式中Dis——为锥体小端内直径

以α和P/[σ]tφ值查图，当其交点位于曲线之下时需要加强，加强后的壁厚按下式计算

δ=

QPcDis

mm

t

r

2

PC

在任何情况下，锥壳小端加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚

度，锥壳加强的长度L1应不小于2Disr/cos；圆筒加强段的长度L

应不小于2Disr。

若考虑无折边锥形封头只由一种厚度组成时，则应上述大端或大、小端同时具有加强段时，以及锥壳三部计算出的厚度最大值作为无折边锥形封头厚度。

2）轴对称内压折边锥形封头。

无折边锥形封头在与圆筒连接处存在着较大的应力集中，故当压力比较大且α≤30℃时，采用带折边封头可以克服上述缺点。

大端折边锥体封头的过渡段转角半径r应不小于封头大端内径

Di≥且不小于该过渡段厚度的3倍，即r≥0.1Di且r≥3δ.

大端折边锥形封头的过渡段转角半径rs应不小于封头大端内径

Dis的5%,且不小于该过渡段厚度的3倍。

大端折边锥形封头厚度计算应包括两部分

（1）过渡段壁厚

δ=

KPcDi

t

20.5PC

式中:

K——系数，根据α、r/Di查GB150表7-4。

（2）与过渡段相接处的锥壳厚度

δ=t

fPcDi

mm

0.5PC

2

1

2r

cos）

（1

式中：

f——系数，f=

Di

值由表7-5查取。

2cos

当锥壳半项角α＞45°小端过渡段厚度仍按上述小端过渡段厚度式确定，但式中Q值由图7-15查取。

与过渡相接的锥壳和圆筒的加强段厚度应与过渡段厚度δγ相同。

锥壳加强段的长度应不小于2Disr/cos；圆筒加强段的长度应不小于2Disr。

在任何情况下，加强段的厚度不得小于与其连接处

的锥壳厚度。

若考虑只由一种厚度组成时，则应取上述各部分厚度中的最大值作为折边锥形封头的厚度。

无折边斜锥壳体在内压作用下，受力情况较复杂系属非轴对称

问

题，工程上仍可采用无折边锥形封头的厚度公式。

其中应为较大的侧斜角。

受压斜锥壳的强度计算见化工部颁发的HG20582-1998《钢制化工

容器强度计算规定》。

6、平盖

平盖结构简单，制造方便小直径较小的高压容器对小直径的常压容器，一般也采用平盖。

平板封头的厚度是以薄板理论为基础。

应力最大值的大小及其所处位置视压力作用面积的大小及周边固定情况（刚性固定和简支）而定。

实际上平盖的支承情况往往介于刚性固定和简支之间。

因此工程计算中都采用薄板理论为基础的经验公式。

σmax

σmax

σmax=0.31PD2/δ2≤1.5[σ]tσmax=0.188PD2/δ2≤3[σ]t

22

t

φ

σmax=KPD/δ≤[σ]

δp=Dc

KPc

mm

]t

[

式中Dc——平盖计算直径。

K——结构特征系数。

当预紧时[σ]t取常温时的许用应力

各种封头计算厚度、最大允许工作压力计算公式

计算厚度δ

半球形PcDi

4[]tPc

椭圆形KPcDi

t

20.5PC

碟形MPcRi

t

20.5PC

球冠形QPcDi

t

2PC

无折边锥形

PcDi

1

2

t

cos

PC

折边锥形过渡段：

KPcDi

t

20.5PC

最大允许工作增强系数

压力[Pw]MPa

4e[]t1

Die

2[]te标准封头K=1

KDi0.5e

2[]te标准封头M=1.4

MRi0.5e

Ri/Di及p/[σ]t

得Q值

α-锥壳半锥角

按JB4738-95及

JB4739-95r/DI=0.15

由GB150表5-4

α=45°K=0.818

α=30°K=0.682

过渡段相接处的锥壳：

由GB150表5-5

α=45°f=0.645

fPcDi

α=30°f=0.554

t

0.5PC

2

平盖

δp=

KPc

GB150表7-7

Dc

K=0.27~0.44

[]t

常用的K=0.3

如果以圆筒的设计公式为基准，直径为1000mm，材料为Q235－A，

设计压力为1.0MPa设计温度为100℃，计算厚度为5.2mm（为‘1’），

则与其相配的各种封头按上表计算从小到大排列有：

半球形为2.6mm（为0.5mm）；

椭圆形（标准）为5.2mm（为1）；

碟形（标准）为7.28mm（为1.4）；

无折边锥形（Ri/DI=1.0）为13.5（为2.6）；无折边锥形（900）为7.36mm（为1.41）；

（600）为10.4mm（为2.0）；

折边锥形（900）为6.71mm（为1.29）