第十章 内压容器封头的设计

1、一、课时安排：一、课时安排：2 2学时学时二、本章的重点、难点：二、本章的重点、难点： 常用封头：半球形、椭圆形、蝶形、锥形封头的常用封头：半球形、椭圆形、蝶形、锥形封头的设计计算方法。设计计算方法。三、本章授课内容：三、本章授课内容： 1010.1 .1 凸形封头凸形封头 1010.2 .2 锥形封头锥形封头 1010.3 .3 平板封头平板封头 10.4 10.4 封头的结构特性及选择封头的结构特性及选择 容器封头又称端盖，是容器的重要组成部分，按其形状可分容器封头又称端盖，是容器的重要组成部分，按其形状可分为三类：凸形封头、锥形封头和平板形封头。其中凸形封头包括为三类：凸形封头、锥形封头

2、和平板形封头。其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、蝶形封头、球冠形封头四种。半球形封头、椭圆形封头、蝶形封头、球冠形封头四种。10.1.1 10.1.1 半球形封头半球形封头半球形封头是由半个球壳组成的，它的计算厚度公式与球壳半球形封头是由半个球壳组成的，它的计算厚度公式与球壳相同。相同。特点：特点：受力较理想，设计壁厚只有同直径圆筒体的一半。受力较理想，设计壁厚只有同直径圆筒体的一半。 制造较困难，对于制造较困难，对于D Di i2.5m2.5m的半球形封头，多采用的半球形封头，多采用拼焊。拼焊。见图见图10-1 10-1 半球形封头半球形封头用途：用途：多用于大型高压容器，较大的贮罐。

3、多用于大型高压容器，较大的贮罐。 mmcticp4Dp= D Di iR Ri i10.1.2 10.1.2 椭圆形封头椭圆形封头封头的母线为半椭圆形，为了避免在封头与圆筒连接处设封头的母线为半椭圆形，为了避免在封头与圆筒连接处设置焊缝，并设有直边，置焊缝，并设有直边，h h0 0=25mm=25mm、40mm40mm、50mm50mm三种。三种。h1h2D Di iR Ri i(a(a) )h hi i(b(b) )h h0 0应力计算采用二倍于相同筒体直径时，半球形封头的应力应力计算采用二倍于相同筒体直径时，半球形封头的应力计算公式。考虑到长短轴比值计算公式。考虑到长短轴比值D Di i/

4、2h/2hi i不同应力分布规律不同，引不同应力分布规律不同，引入椭圆形封头的形状系数入椭圆形封头的形状系数K K对计算厚度进行修正。对计算厚度进行修正。 ( () ) 筒筒体体封封头头。标标准准型型椭椭圆圆形形封封头头作作为为造造。所所以以工工程程上上常常采采用用采采用用相相同同的的钢钢板板来来制制体体的的厚厚度度，这这样样就就可可以以封封头头的的厚厚度度近近似似等等于于筒筒。从从公公式式可可以以看看出出，封封头头，时时，定定义义为为标标准准头头圆圆形形当当。页页表表其其值值列列于于教教材材头头有有关关。对对于于一一般般椭椭圆圆封封为为封封头头形形状状系系数数，与与式式中中：0 . 1K22

5、hD110133,2h/D261K2hDKmm5 . 02Kii2iiii= = =+ += =cticpDp=椭圆形封头的最大允许工作压力按下式计算：椭圆形封头的最大允许工作压力按下式计算：标准型椭圆形封头已标准化（标准型椭圆形封头已标准化（JB/T4737-95)JB/T4737-95)，设计时可根，设计时可根据公称直径和厚度选取。对于内经为据公称直径和厚度选取。对于内经为1600mm1600mm，名义厚度为，名义厚度为18mm,18mm,材质为材质为16MnR16MnR的椭圆形封头可标记为：的椭圆形封头可标记为：椭圆封头椭圆封头 DN1600DN1600 18-16MnR JB/T473

6、7 18-16MnR JB/T4737 确确定定。高高度度可可按按表表标标准准椭椭圆圆形形封封头头的的直直边边2-10MPa50KD2Peiet.=+ +10.1.3 10.1.3 碟形封头碟形封头碟形封头又称带折边的球形封头，有三部分组成：以碟形封头又称带折边的球形封头，有三部分组成：以R Ri i为为半径的球面，以半径的球面，以r r为半径的过度圆弧和高度为为半径的过度圆弧和高度为h h0 0=25mm=25mm、40mm40mm、50mm50mm的直边，见图的直边，见图10-310-3。RrDNh1h2i i=D=Di ih h0 0图图10-3 10-3 碟形封头碟形封头1.1.碟形封

7、头的优点：碟形封头的优点：便于手工加工成型，只要有球面模具就可以用人工锻打的便于手工加工成型，只要有球面模具就可以用人工锻打的方法成型，且可以在安装现场制造。方法成型，且可以在安装现场制造。2.2.碟形封头的缺点：碟形封头的缺点：球面部分过渡区的圆弧部分及直边部分的连接处曲率半径球面部分过渡区的圆弧部分及直边部分的连接处曲率半径有突变，有较大的边缘应力产生。有突变，有较大的边缘应力产生。3.3.为避免局部应力过高，规定：为避免局部应力过高，规定：R Ri iDDi i，r/Dr/Di i0.10.1，且，且r3r3n n。4.4.厚度计算：厚度计算：考虑到边缘应力的影响，设计中引入形状系数考虑

8、到边缘应力的影响，设计中引入形状系数M M，厚度计算，厚度计算公式如下：公式如下：5.5.标准封头：标准封头：R Ri i=0.9D=0.9Di i，r=0.17Dr=0.17Di i，M=1.325M=1.325。标准封头的厚度计算公式可。标准封头的厚度计算公式可写成如下形式：写成如下形式：6.6.最大工作压力：最大工作压力： ( () )。，其其值值见见表表为为碟碟形形封封头头形形状状系系数数；式式中中：310r/R3MMmm5 . 02Mi+ += =cticpDp= mm5P. 02D1.2Pctic= MPa5 . 0MR2Peiet+ +=10.1.4 10.1.4 球冠形封头球冠

9、形封头将蝶形封头的直边及过渡圆弧部分去掉，球面部分直接焊在将蝶形封头的直边及过渡圆弧部分去掉，球面部分直接焊在筒体上，既为球冠形封头。也称无折边球形封头。筒体上，既为球冠形封头。也称无折边球形封头。封头的焊接结构如图封头的焊接结构如图10-410-4所示。所示。LD Di iR Ri i1:31:3LD Di iR Ri i1:31:3L1:31:3图图10-4 10-4 球冠形封头和中间封头球冠形封头和中间封头封头球面内半径封头球面内半径R Ri i控制为圆筒体内直径控制为圆筒体内直径D Di i的的0.70.71.01.0倍。当倍。当容器受内压时，在球形封头内将产生拉应力，这个力只是筒体容

10、器受内压时，在球形封头内将产生拉应力，这个力只是筒体环向应力的一半，而封头与筒体的连接处，却存在着较大的局环向应力的一半，而封头与筒体的连接处，却存在着较大的局部边缘应力，见图部边缘应力，见图10-510-5所示。所示。受内压球冠形封头的计算厚度按下式确定：受内压球冠形封头的计算厚度按下式确定： iii5D02L1998-GB150-Q2RDmm2Q.pDp=ctic加加强强段段长长度度查查取取。对对容容器器端端封封头头由由系系数数，式式中中：QNTp图图10-5 10-5 球冠形封头与筒体球冠形封头与筒体 联接边缘的受力图联接边缘的受力图L10.2.1 10.2.1 锥形封头的受力分析锥形封

11、头的受力分析锥形封头在同等条件下与其它封头比较，其受力情况较差，锥形封头在同等条件下与其它封头比较，其受力情况较差，其中一个主要原因是因为锥形封头与圆筒连接处的转折较为厉害，其中一个主要原因是因为锥形封头与圆筒连接处的转折较为厉害，故曲率半径发生突变而产生边缘力的缘故。故曲率半径发生突变而产生边缘力的缘故。假设锥形封头大端边假设锥形封头大端边界上每单位长度的径向力界上每单位长度的径向力用用T T表示，而沿轴向的分力表示，而沿轴向的分力以以q q表示，沿径向的分力以表示，沿径向的分力以q q0 0表示。如图表示。如图10-610-6所示。所示。 pq q0 0T Tq qT Tq q0 0q q

12、pT Tq qq qq q0 0T Tq q0 0q q0 01 12 2图图10-6 10-6 锥形封头的横推力锥形封头的横推力10.2.2 10.2.2 降低连接处的边缘应力的方法降低连接处的边缘应力的方法1.1.使连接处附近的封头及筒体厚度增大，即采用局部加强法。使连接处附近的封头及筒体厚度增大，即采用局部加强法。见图见图10-810-8是局部加强的无折边锥形封头。是局部加强的无折边锥形封头。D Di iD Disis22D Di iD Disis22r rr r图图10-8 10-8 局部加强的无折局部加强的无折 边锥形封头边锥形封头图图10-7 10-7 无局部加强的无折无局部加强的

13、无折 边锥形封头边锥形封头2.2.在封头与筒体间增加一个过渡圆弧在封头与筒体间增加一个过渡圆弧，则整个封头由锥体、，则整个封头由锥体、过渡圆弧及高度为过渡圆弧及高度为h h0 0的直边三部分构成，称折边锥形封头。的直边三部分构成，称折边锥形封头。DNhdHr60图图10-9 10-9 大端折边锥形封头大端折边锥形封头D Disisr rs sr rr rD Di i图图10-10 10-10 折边锥形封头折边锥形封头10.2.3 10.2.3 锥形封头的结构要求及计算锥形封头的结构要求及计算对于对于60600 0的轴对称无折边或折边锥壳，有两种不同的的轴对称无折边或折边锥壳，有两种不同的计算方

14、法，可参见计算方法，可参见GB150-1998GB150-1998，另外需要时锥壳可以由同一半锥，另外需要时锥壳可以由同一半锥角的几个不同厚度的锥壳组成。角的几个不同厚度的锥壳组成。 cos)cos-1(Dr2-1fP2DPfcos1P2DPPcos2DPcos12PDcos12PDcos14PDri0ctic0cticctictr3m= = = = = = = =，式式中中：折折边边锥锥形形封封头头：，无无折折边边锥锥形形封封头头：对于锥壳大端，当锥壳半锥角对于锥壳大端，当锥壳半锥角30300 0时，可以采用无折时，可以采用无折边结构；当边结构；当30300 0时，应采用带过渡段的折边结构，

15、否则应按时，应采用带过渡段的折边结构，否则应按应力分析的方法进行设计。应力分析的方法进行设计。大端锥壳的过渡段转角半径大端锥壳的过渡段转角半径r r应不小于封头大端内直径应不小于封头大端内直径D Di i的的10%10%、且不小于该过渡段厚度的、且不小于该过渡段厚度的3 3倍。倍。对于锥壳小端，当锥壳半锥角对于锥壳小端，当锥壳半锥角45450 0时，可以采用无折时，可以采用无折边结构；当边结构；当45450 0时，应采用带过渡段的折边结构。时，应采用带过渡段的折边结构。小端锥壳的过渡段转角半径小端锥壳的过渡段转角半径r rs s应不小于封头小端内直径应不小于封头小端内直径D Disis的的5%

16、5%，且不小于该过渡段厚度的，且不小于该过渡段厚度的3 3倍。倍。当锥壳半锥角当锥壳半锥角60600 0时，其厚度可按平盖计算，也可用时，其厚度可按平盖计算，也可用应力分析方法确定。应力分析方法确定。锥壳与筒体的连接应采用全焊透结构。锥壳与筒体的连接应采用全焊透结构。10.2.4 10.2.4 锥形封头的标准锥形封头的标准标准带折边锥形封头有半顶角为标准带折边锥形封头有半顶角为30300 0及及45450 0两种，锥体大端过两种，锥体大端过渡区圆弧半径渡区圆弧半径 r=0.15Dr=0.15Di i。JB/T4738-95JB/T4738-95为为90900 0折边锥形封头，折边锥形封头，JB

17、/T4739-95JB/T4739-95为为60600 0折边锥折边锥形封头，设计时可根据标准选用。形封头，设计时可根据标准选用。平板封头也称平盖，是化工容器或设备厂采用的一种封头。平板封头也称平盖，是化工容器或设备厂采用的一种封头。它主要用于常压和低压的设备上，或者高压小直径的设备上。它主要用于常压和低压的设备上，或者高压小直径的设备上。1.1.平板封头的特点平板封头的特点结构简单，制造方便，故也常作为可拆的人孔盖、换热器端结构简单，制造方便，故也常作为可拆的人孔盖、换热器端盖等。但平盖与凸形封头相比，主要承受弯曲应力的作用。盖等。但平盖与凸形封头相比，主要承受弯曲应力的作用。2.2.平盖的

18、连接方式平盖的连接方式不可拆的平盖，教材不可拆的平盖，教材138138页表页表10-410-4中序号中序号1 11111，采用整体，采用整体锻造或用平板焊接。锻造或用平板焊接。可拆卸的平盖，教材表可拆卸的平盖，教材表10-410-4中序号中序号1212、1313、1414，用螺栓固，用螺栓固定，靠压紧垫片密封。定，靠压紧垫片密封。3.3.圆形平盖厚度的计算圆形平盖厚度的计算对于表对于表10-410-4中序号中序号1 11212所示的平盖计算厚度按下式确定所示的平盖计算厚度按下式确定: : 。作作用用中中心心线线的的径径向向距距离离螺螺栓栓中中心心至至垫垫片片压压紧紧力力栓栓设设计计载载荷荷；预

19、预紧紧或或操操作作状状态态时时的的螺螺结结构构特特征征系系数数；中中简简图图）；平平盖盖计计算算直直径径（见见表表式式中中：）（操操作作状状态态：预预紧紧状状态态：别别计计算算，取取较较大大值值：的的平平盖盖，应应按按下下两两式式分分、中中序序号号对对于于表表Gctc3ccGcptc3ccGcptccpL-W-K410DmmPDP1.78WL3 . 0DmmPDP1.78WLD14134-10mmKPD+ += = = =4.4.非圆形平盖厚度的计算非圆形平盖厚度的计算对于表对于表10-410-4中序号中序号3 3、4 4、5 5、6 6、1010、1111、1212所示平盖，按所示平盖，按下

20、式计算：下式计算：对于表对于表10-410-4中序号中序号1313、1414所示平盖，按下式计算：所示平盖，按下式计算：式中：式中：Z-Z-非圆形平盖的形状系数，非圆形平盖的形状系数，Z=3.4-2.4a/bZ=3.4-2.4a/b，且，且Z2.5Z2.5 a- a-非圆形平盖的短轴长度，非圆形平盖的短轴长度，mm;mm; b- b-非圆形平盖的长轴长度，非圆形平盖的长轴长度，mmmm。 mm2KZPDtccp = = mmKPDtccp = =封头的结构形式是由工艺过程、承载能力、制造技术方面的封头的结构形式是由工艺过程、承载能力、制造技术方面的要求而决定的，其选用主要根据设计对象的要求。各

21、种封头的优要求而决定的，其选用主要根据设计对象的要求。各种封头的优缺点见以下说明。缺点见以下说明。1.1.半球形封头半球形封头是由半个球壳构成，就单位容积的表面积来说，为最小；需是由半个球壳构成，就单位容积的表面积来说，为最小；需要的厚度是同样直径的圆筒的二分之一；从受力来看，球形封头要的厚度是同样直径的圆筒的二分之一；从受力来看，球形封头是最理想的结构形式；但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困是最理想的结构形式；但缺点是深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压，其拼焊工作量也较大。难，大直径采用分瓣冲压，其拼焊工作量也较大。2.2.椭圆形封头椭圆形封头是由半个椭球面和一圆柱直边段组

22、成，它与碟形封头的容积是由半个椭球面和一圆柱直边段组成，它与碟形封头的容积和表面积基本相同，它的应力情况不如半球形封头均匀，但比碟和表面积基本相同，它的应力情况不如半球形封头均匀，但比碟形封头要好。形封头要好。对于对于a/b=2a/b=2的标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可的标准椭圆形封头与厚度相等的筒体连接时，可以达到与筒体等强度。椭圆形封头吸取了碟形封头深度浅的优点，以达到与筒体等强度。椭圆形封头吸取了碟形封头深度浅的优点，用冲压法易于成型，制造比球形封头容易。用冲压法易于成型，制造比球形封头容易。3.3.碟形封头碟形封头是球面、过渡段以及圆柱直边段三个不同曲面组成。虽然由是球面、过

23、渡段以及圆柱直边段三个不同曲面组成。虽然由于过渡段的存在降低了封头的深度，方便了成型加工，但是三部于过渡段的存在降低了封头的深度，方便了成型加工，但是三部分连接处，由于经线曲率发生突变，在过渡区边界上不连续应力分连接处，由于经线曲率发生突变，在过渡区边界上不连续应力比内压薄膜应力大得多，故受力状况不佳。它的制造常用冲压、比内压薄膜应力大得多，故受力状况不佳。它的制造常用冲压、手工敲打、旋压成型。手工敲打、旋压成型。4.4.球冠形封头球冠形封头是部分球形封头与圆筒直接连接，它结构简单、制造方便，是部分球形封头与圆筒直接连接，它结构简单、制造方便，常用作容器中两独力受压室的中间封头，也可用作端盖。

24、常用作容器中两独力受压室的中间封头，也可用作端盖。封头与筒体连接处的角焊缝应采用全焊透结构。在球封头与封头与筒体连接处的角焊缝应采用全焊透结构。在球封头与圆筒连接处其曲率半径发生突变，且两壳体因无公切线而存在横圆筒连接处其曲率半径发生突变，且两壳体因无公切线而存在横向推力，所以产生相当大的不连续应力，这种封头一般只能用于向推力，所以产生相当大的不连续应力，这种封头一般只能用于压力不太高的场合。压力不太高的场合。5.5.锥形封头锥形封头锥形封头有两种形式，无折边和有折边封头。就强度而论，锥形封头有两种形式，无折边和有折边封头。就强度而论，锥形封头的结构并不理想，但从受力来看，锥顶部分强度很高，锥

25、形封头的结构并不理想，但从受力来看，锥顶部分强度很高，故在锥尖开孔一般不需要补强。锥形封头经常作为流体的均匀引故在锥尖开孔一般不需要补强。锥形封头经常作为流体的均匀引入和引出、悬浮或粘稠液体和固体颗粒等的排放、不同直径圆筒入和引出、悬浮或粘稠液体和固体颗粒等的排放、不同直径圆筒的过渡件。锥形封头可用滚压成型和压制成型，折边部分可以压的过渡件。锥形封头可用滚压成型和压制成型，折边部分可以压制或敲打成型，但锥尖部分很难成型。制或敲打成型，但锥尖部分很难成型。6.6.平板封头平板封头是各种封头中结构最简单、制造最容易的一种封头形式。对是各种封头中结构最简单、制造最容易的一种封头形式。对于同样直径和压

26、力的容器，采用平板封头的厚度最大。于同样直径和压力的容器，采用平板封头的厚度最大。总之，从受力情况来看，半球形封头最好，椭圆形、碟形次总之，从受力情况来看，半球形封头最好，椭圆形、碟形次之，球冠形、锥形更次之，而平板最差。从制造角度来看，平板之，球冠形、锥形更次之，而平板最差。从制造角度来看，平板最容易，球冠形、锥形次之，碟形、椭圆形更次，而半球形最难。最容易，球冠形、锥形次之，碟形、椭圆形更次，而半球形最难。就使用而论，锥形有其特色，用于压力不高的设备上，椭圆形封就使用而论，锥形有其特色，用于压力不高的设备上，椭圆形封头用于大多数中低压容器的封头，平板封头用作常压或直径不大头用于大多数中低压

27、容器的封头，平板封头用作常压或直径不大的高压容器的封头，球冠形封头用作压力不高的场合或容器中两的高压容器的封头，球冠形封头用作压力不高的场合或容器中两独立受压室的中间封头，半球形封头一般用于大型储罐或高压容独立受压室的中间封头，半球形封头一般用于大型储罐或高压容器的封头。器的封头。例例10-110-1：已知：已知：精馏塔内经精馏塔内经D Di i=600mm=600mm，厚度，厚度n n=7mm=7mm，材质为，材质为16MnR16MnR，计算压力，计算压力P Pc c=2.2MPa=2.2MPa，工作温度，工作温度t=-20t=-20-3-30 0C C。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：因工艺上无特殊要求，现按凸形封头和平板封头作一计因工艺上无特殊要求，现按凸形封头和平板封头