球冠形封头课件

项目三项目三 内压容器封头内压容器封头项目三 内压容器封头容器封头容器封头（端盖）（端盖）凸形封头凸形封头锥形封头锥形封头平板封头平板封头半球形封头半球形封头椭圆形封头椭圆形封头碟形封头碟形封头球冠形封头球冠形封头第十章第十章 内压容器封头的设计内压容器封头的设计容器封头凸形封头锥形封头平板封头半球形封头椭圆形封头碟形封头一、半球形封头一、半球形封头半半球球形形封封头头是是由由半半个个球球壳壳构构成成的的，它它的的计计算算壁壁厚公式与球壳相同厚公式与球壳相同图图10-1 半球形封头半球形封头第一节第一节 凸形封头凸形封头注解：注解：半球形封头厚度较相同直径与压力的圆筒厚度减薄一半左右。但实际中，半球形封头厚度较相同直径与压力的圆筒厚度减薄一半左右。但实际中，为了为了焊接方便以及降焊接方便以及降 低边界处的边缘压力低边界处的边缘压力，球形封头通常与筒体等厚设计。球形封头通常与筒体等厚设计。半球形封头多用于半球形封头多用于大型高压容器的封头和压力大型高压容器的封头和压力 高的贮罐上。高的贮罐上。一、半球形封头半球形封头是由半个球壳构成的，它的计算壁厚公式椭椭圆圆形形封封头头是是由由长长短短半半轴轴分分别别为为a a和和b b的的半半椭椭球球和和高高度度为为h ho o的的短短圆圆筒筒(通通称称为为直直边边)两两部部分分所所构构成成。直直边边的的作作用用是是为为了了保保证证封封头头的的制制造造质质量量和和避避免免筒筒体体与与封封头头间间的的环向焊缝受边缘应力作用。环向焊缝受边缘应力作用。图图10-2 椭圆形封头椭圆形封头二、二、椭圆形封头椭圆形封头椭圆形封头是由长短半轴分别为a和b的半椭球和高度为ho的短圆椭圆形封头椭圆形封头椭圆形封头结结论论：当当椭椭球球壳壳的的长长短短半半轴轴 a/b2时时，椭椭球球壳壳赤赤道道上上出出现现很很大大的的环环向向应应力力，其其绝绝对对值值远远大大于于顶顶点点的的应应力力，从从而而引引入入形形状状系数系数K。（也称应力增加系数）。（也称应力增加系数）标准椭圆封头标准椭圆封头K=1（a/b=2）,计算厚度公式为计算厚度公式为结论：当椭球壳的长短半轴 a/b2时，椭球壳赤道上出现很大椭圆封头最大允许工作压力计算公式椭圆封头最大允许工作压力计算公式 GB150-1998规定规定 椭圆形封头标准为椭圆形封头标准为JBT473795 K 1时，e0.15%iD K1时，e 0.30%iD 椭圆封头最大允许工作压力计算公式 GB150-1998规定 表表10-2 标准椭圆形封头的直边高度标准椭圆形封头的直边高度h。封头材料封头材料碳素钢、普低钢、复合碳素钢、普低钢、复合钢板钢板高合金钢高合金钢封头壁厚封头壁厚mm4810 18 203 910 1820直边高度直边高度mm254050254050表10-2 标准椭圆形封头的直边高度h。封头材料碳素钢碟形封头的组成碟形封头的组成 三、碟形封头三、碟形封头图图10-3 碟形封头碟形封头以iR 为半径的球面；以r为半径的过渡圆弧(即折边)；高度为0h 的直边。碟形封头的组成 三、碟形封头图10-3 碟形封头以iR为半径形状系数形状系数 计算厚度公式计算厚度公式 GB150-1998规定规定 标标准准碟碟形形封封头头计计算算厚度公式厚度公式 M 1.325时，e 0.15%iD M1.325时，e 0.30%Di iR =0.9Dir=0.17Di形状系数 计算厚度公式 GB150-1998规定 标准碟形封优点：优点：便于手工加工成型便于手工加工成型,且可在现场安装制造。且可在现场安装制造。主要缺点：主要缺点：在球形部分、过渡部分的圆弧部分及直边部分的连在球形部分、过渡部分的圆弧部分及直边部分的连接处因为曲率半径有突变，故接处因为曲率半径有突变，故有较大的边缘应力产生有较大的边缘应力产生。综合考虑碟形封头的受力特点、加工难易程度，规定综合考虑碟形封头的受力特点、加工难易程度，规定RiDi,r/Di0.1,且且r3n（封头名义厚度）。（封头名义厚度）。优点：四、球冠形封头（也称无折边球形封头）四、球冠形封头（也称无折边球形封头）结构：结构：将碟形封头中的直边及过渡部分去掉，将球面部分直接焊将碟形封头中的直边及过渡部分去掉，将球面部分直接焊在筒体上，就构成了球冠形封头。在筒体上，就构成了球冠形封头。从受力的角度考虑，封头球面内半径从受力的角度考虑，封头球面内半径Ri控制为圆筒内直径控制为圆筒内直径Di的的0.71.0倍。倍。作用作用 球冠形封头多用作容器中两独立受压的球冠形封头多用作容器中两独立受压的中间封头中间封头，也可用作，也可用作容器的容器的端盖端盖。计算厚度公式计算厚度公式 四、球冠形封头（也称无折边球形封头）计算厚度公式 式中式中Di封头和筒体的内直径，封头和筒体的内直径，Di 2Ri,mm;Q系数（由算图查得）系数（由算图查得）注解：注解：在任何情况下，与球冠形封头连接的圆筒厚度在任何情况下，与球冠形封头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度。否则，应在封头与圆筒间设置应不小于封头厚度。否则，应在封头与圆筒间设置加强段过渡连接加强段过渡连接。圆筒加强段的厚度应与封头等厚；端封头一侧或圆筒加强段的厚度应与封头等厚；端封头一侧或中间封头两侧的加强段长度中间封头两侧的加强段长度L应满足应满足（边缘应力作用区域）（边缘应力作用区域）式中Di封头和筒体的内直径，Di 2Ri,mm广泛应用于许多化工设备的底盖，它的优点是便于广泛应用于许多化工设备的底盖，它的优点是便于收集与卸除这些设备中的固体物料。此外，有一些收集与卸除这些设备中的固体物料。此外，有一些塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体将塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体将直径不等的两段塔体连接起来，这时的锥形壳体称直径不等的两段塔体连接起来，这时的锥形壳体称为变径段。为变径段。锥形封头厚度计算公式锥形封头厚度计算公式 Dc 锥壳大端直径锥壳大端直径 第二节第二节 锥形封头锥形封头广泛应用于许多化工设备的底盖，它的优点是便于收集与卸除这些设是是常常用用的的一一种种封封头头。其其几几何何形形状状有有圆圆形形、椭椭圆圆形形、长长圆圆形形、矩矩形形和和方方形形等等，最最常常用用的的是是圆圆形形平平板板封头。封头。在在各各种种封封头头中中，平平板板结结构构最最简简单单，制制造造就就方方便便，但但在在同同样样直直径径、压压力力下下所所需需的的厚厚度度最最大大，因因此此一一般只用于小直径和压力低的容器。般只用于小直径和压力低的容器。但但有有时时在在高高压压容容器器中中，如如合合成成塔塔中中也也用用平平盖盖，这这是是因因为为它它的的端端盖盖很很厚厚且且直直径径较较小小，制制造造直直径径小小厚厚度大的凸形封头很困难。度大的凸形封头很困难。第三节第三节 平板封头平板封头是常用的一种封头。其几何形状有圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方平板封头厚度设计公式平板封头厚度设计公式 平板封头的计算厚度平板封头的计算厚度 mm 计算直径计算直径 mm 计算压力计算压力 MPa 焊接接头系数焊接接头系数 结构特征系数结构特征系数 材料在设计温度下的许用应力材料在设计温度下的许用应力 MPa 平板封头厚度设计公式 单位容积的表面积，半球形封头为最小。单位容积的表面积，半球形封头为最小。椭圆形和碟形封头的容积和表面积基本相同，椭圆形和碟形封头的容积和表面积基本相同，可以认为近似相等。可以认为近似相等。封头的选择主要根据设计对象的要求，并考封头的选择主要根据设计对象的要求，并考虑经济技术指标。虑经济技术指标。第四节第四节 封头的选择封头的选择1、几何方面、几何方面单位容积的表面积，半球形封头为最小。封头的选择主要根据设计对半球形封头的应力分布最好半球形封头的应力分布最好椭圆形封头应力情况第二椭圆形封头应力情况第二碟形封头在力学上的最大缺点在于其具有较小的折边碟形封头在力学上的最大缺点在于其具有较小的折边半径半径r r平板受力情况最差平板受力情况最差封头愈深，直径和厚度愈大，制造愈困难封头愈深，直径和厚度愈大，制造愈困难2、力学方面、力学方面3、制造及材料消耗方面、制造及材料消耗方面半球形封头的应力分布最好封头愈深，直径和厚度愈大，制造愈困难例例1某化工厂欲设计一台乙烯精馏塔。已知塔内径某化工厂欲设计一台乙烯精馏塔。已知塔内径Di=600mm，厚度厚度n=7mm，材质为，材质为16MnR，计算压力，计算压力pc=2.2MPa，工作，工作温度温度t=-20-3。试确定该塔的封头形式与尺寸。试确定该塔的封头形式与尺寸。解：解：从工艺操作要求来看，封头形状无特殊要求，现按凸形封头和从工艺操作要求来看，封头形状无特殊要求，现按凸形封头和平板封头设计并比较。平板封头设计并比较。（1）若采用半球封头）若采用半球封头 式中式中 pc=2.2MPa；Di=600mm；t=170MPa。取取C2=1mm，=0.8（封头可整体冲压，但考虑与筒体连接处（封头可整体冲压，但考虑与筒体连接处的环焊缝，其轴向拉伸应力与球壳内的应力相等，故应计入这的环焊缝，其轴向拉伸应力与球壳内的应力相等，故应计入这一环向焊接接头系数）。一环向焊接接头系数）。例1某化工厂欲设计一台乙烯精馏塔。已知塔内径Di=600mm式中式中=1.0（封头整板冲压）。（封头整板冲压）。（3）若采用标准碟形封头，则）若采用标准碟形封头，则（2）若采用标准椭圆形封头，则）若采用标准椭圆形封头，则式中=1.0（封头整板冲压）。（3）若采用标准碟形封头，则（4）若采用平板封头，则）若采用平板封头，则mm式中式中Dc=600mm，查图，查图10-4得得K取取0.25，并，并取取1.0。mmmm即圆整后采用即圆整后采用n=38mm厚的钢板。厚的钢板。（4）若采用平板封头，则mm式中Dc=600mm，查图10-表表10-5 各种封头计算结果比较各种封头计算结果比较封头型封头型式式厚度厚度/mm深度（包括深度（包括直边）直边）/mm理论面积理论面积/m2质量质量/kg制造难易制造难易程度程度半球形半球形椭圆形椭圆形碟形碟形平板形平板形467383001751610.5650.4660.4100.23817.82122.483.9较难较难较易较易较易较易易易由上表可见，该精馏塔以采用椭圆封头为宜。由上表可见，该精馏塔以采用椭圆封头为宜。表10-5 各种封头计算结果比较封头型式厚度/mm深度（包例例2：设计一台圆形受压容器，内径：设计一台圆形受压容器，内径Di=1400mm，长度，长度l=3000mm，两端为标准椭圆形封头，筒体和封头材料，两端为标准椭圆形封头，筒体和封头材料均选用均选用16MnR，腐蚀裕量取，腐蚀裕量取2mm，工作温度为，工作温度为280，最高工作压力为最高工作压力为1.6MPa，试确定筒体和封头的厚度。，试确定筒体和封头的厚度。解：解：1、筒体的厚度、筒体的厚度筒体的计算厚度按下式计算筒体的计算厚度按下式计算式中：式中：pc=1.11.6=1.76MPa Di=1400mm t=156-（156-144）/5030=148.8MPa（假定钢板厚度在（假定钢板厚度在616mm范围内）范围内）例2：设计一台圆形受压容器，内径Di=1400mm，长度l=取取=0.85（双面对接焊，局部无损探伤）（双面对接焊，局部无损探伤）mm又因为又因为 C2=2mm设计厚度设计厚度d=+C2=11.81mm取取C1=0.8mm（假定钢板在（假定钢板在825mm范围内）范围内）则钢板名义厚度则钢板名义厚度n=14mm检查：检查：n=14mm，t、C1无变化，故取无变化，故取n=14mm合适。合适。取=0.85（双面对接焊，局部无损探伤）mm又因为 C2、封头的壁厚、封头的壁厚 封头的计算厚度按下式计算封头的计算厚度按下式计算 式中：式中：K=1（标准椭圆封头）（标准椭圆封头）=0.85（封头采用拼焊后冲压成型）（封头采用拼焊后冲压成型）mm又又 C2=2mm2、封头的壁厚式中：K=1（标准椭圆封头）mm又 C2则封头设计厚度则封头设计厚度 d=+C2=9.77+2=11.77mm 又又 C1=0.8mm则名义厚度则名义厚度n=14mm检查：检查：n=14mm，t、C1无变化，故取无变化，故取n=14mm3、容器水压试验、容器水压试验试验压力按下式计算试验压力按下式计算式中：式中：=170MPa则封头设计厚度式中：=170MPap=pc=1.76MPaMPa筒体的有效厚度筒体的有效厚度e=n-（C1+C2）=14-2.8=11.2mm 且且ts=345MPa所以压力试验时圆筒壁中的应力为所以压力试验时圆筒壁中的应力为0.9 ts=0.9345=310.5 MPa 所以所以T 0.9 ts故该容器满足水压试验的强度要求故该容器满足水压试验的强度要求.p=pc=1.76MPaMPa筒体的有效厚度0.9 ts=例例3:某厂库存一台内径为某厂库存一台内径为1000mm、长为、长为26000mm的圆的圆筒形容器，实测该容器的筒体厚度为筒形容器，实测该容器的筒体厚度为10mm，两端为标，两端为标准椭圆形封头，焊缝采用双面对接焊，材料为准椭圆形封头，焊缝采用双面对接焊，材料为0Cr18Ni10Ti。由于该设备出厂说明书不全，试问该容。由于该设备出厂说明书不全，试问该容器是否可作为计算压力为器是否可作为计算压力为2MPa、温度为、温度为250、介质无、介质无腐蚀的分离器？腐蚀的分离器？解：解：该容器按下式校核其应力该容器按下式校核其应力式中：式中：pc=2MPa，C1=0.8mm，C2=0，=0.85；e筒体的有效厚度。筒体的有效厚度。例3:某厂库存一台内径为1000mm、长为26000mm的圆又因为又因为 t=122MPat=1220.85=103.7MPa结论：结论：该容器不满足强度校核条件该容器不满足强度校核条件,故不能在故不能在p=2MPa条条件下使用。件下使用。e=n-（C1+C2）=10-（0.8+0）=9.2mm所以所以又因为 结论：e=n-（C1+C2）=