化工设备课件第三节内压圆筒封头的设计

1、第三节内压圆筒封头的设计n 容器封头又称端盖，按其形状可分为三类：n1、凸形封头；n2、锥形封头；n3、平板形封头。 其中凸形封头包括：nA、半球形封头nB、椭圆形封头nC、碟形封头nD、球冠形封头四种。一、半球形封头n 半球形封头是由半个球壳构成的，它的计算壁厚公式与球壳相同。既n 所以，球形封头壁厚可较相同直径与压力的圆筒可减薄一半。但在实际工作中，为了焊接方便以及降低边界处的边缘应力，也常和筒体取相同的壁厚。椭圆形封头h1h2n 当椭球壳的长短半轴 a /b2时，椭球壳赤道上出现很大的应力，其绝对值远大于顶点的应力。n 为考虑这种应力变化对椭圆形封头强度的影响，而引入了形状系数K，国家标

2、准规定，在工程应用中，K值不大于2.6。n 受内压力的椭圆形封头的计算壁厚公式为:椭圆形封头的形状系数K值标准椭圆形封头n 工程上将（Di/2hi）=2，即a/b=2的椭圆形封头称为标准椭圆形封头，此时形状系数K=1（见表4-10），于是得标准椭圆形封头的计算壁厚公式为： 20.5tPcDiSPc国家标准规定：n 标准椭圆形封头的有效壁厚Se应不小于封头内直径的0.15%,其他椭圆形封头的有效壁厚应不小于封头内直径的0.30%。n 椭圆形封头的最大允许工作压按下式计算：标准椭圆形封头的直边高度h0n表4-1标准椭圆形封头的直边高度标准椭圆形封头的直边高度h0 mmn封头材料碳素钢普低钢复合钢板

3、 不 锈 钢n封头壁厚 48 1018 39 39 1018 20直边高度 25 40 50 25 40 50n现行的椭圆形封头标准为JB/T4737-95。三、碟形封头n碟形封头由三部分构成：以为半径Ri的球面，以r为半径的过渡圆弧（既折边）和高度为h0的直边。 RrDNh1h2n 其球面半径越大，折边半径越小封头的深度将越浅。考虑到球面部分与过渡区联接处的局部高应力，规定：n Ri0.9Di r=0.17Di n n碟形封头过渡圆弧与球面联接处的经线曲率有突变，在压力作用下，这里将产生很大的边缘应力，考虑这一边缘应力的影响，在设计中引入形状系数M，其计算壁厚公式为： 20.5itMPcRS

4、Pc 碟形封头的形状系数M值134RiMr标准碟形形封头n 当碟形封头的球面内半径 Ri=0.9Di ，过渡圆弧内半径 r = 0.17Di时，称为标准碟形封头。此时M =1.325，于是标准碟形封头的计算壁厚公式为： 1.220.5tPcDiSPc n 国家标准规定：标准碟形封头的有效壁厚Se应不小于封头内直径的0.15%,其他碟形形封头的有效壁厚应不小于封头内直径的0.30%。n 碟形封头的最大允许工作压按下式计算： 20.5tSePwMDiSe 封头与筒体的联接n 封头与筒体可用法兰联接，也可用焊接联接，但必须采用对接接头，如果厚度不同，可按右图示处理。四、球冠形封头n球冠形封头又称为无

5、折边球形封头。n 球冠形封头多数情况下用作容器中两独立受压室的中间封头，也可作端封头（图4-7）封头与筒体联接处必须采用全焊透结构，因此，应适当控制封头厚度以保证全焊透结构的焊接质量。应控制n Ri=0.71.0Di球冠形封头的设计n 当承受内压时，在球冠形封头内将产生拉应力，但次应力并不大，然而在封头与筒壁联接处，却存在着很大的局部边缘应力，因此，在确定球冠形封头的壁厚时，重点应放在上述这些局部应力上。n n 受内压球冠形封头的计算壁厚按下式计算： 2tQPcDiSPc n 在任何情况下，与球冠形封头联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加强段过度连接。圆筒加强段的厚度于

6、封头等厚；加强段长度L均不小于2 0.5DiS五、锥形封头n 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出这些设备中的固体物料。此外，一些塔设备上、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。n受内压的锥形封头的最大应力在锥壳的大端，其值为：n其强度条件为：n由此可得计算壁厚公式为：n 3-281max2 cosPDS 1max2costPDS 1cos2tPcDcScPc 锥形封头的受力分析n 按上式计算的锥形封头壁厚，由于没有考虑封头与筒体连接处的边缘应力，因而此壁厚往往是不够的。需在考虑上述边缘应力的基础上，建立一些补充的设计公式。降低边缘应力的方法n

7、一、将连接处附近的封头及筒体的壁厚增大，这种方法叫做局部补强。n二、在封头与筒体间增加一个过渡圆弧，则整个封头由锥体、过渡圆弧及高度为的直边三部分组成。1、受内压无折边锥形封头n（1）锥壳大端连接处的壁厚n对于锥壳大端，当锥壳半顶角300时，可采用无折边结构；当300时，应采用带过渡段的折边结构，见图4-13，否则应按应力分析法进行设计。锥壳大端的壁厚：n 以与半顶角值查图3-20，当其交点位于曲线之上时，不必局部加强，其壁厚按（3-28）式计算。当其交点位于曲线之下方时，则需要局部加强，锥壳和圆筒加强段厚度需相同，其加强区计算壁厚按（3-29）式计算： 3-292tQPcDiSPc最大角度，

8、图图3-32确定锥体大端与筒体确定锥体大端与筒体连接处的加强图连接处的加强图n 式中系数由图3-16查得，遇中间值用内插法。加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚度。锥壳加强段的长度应不小于；n圆筒加强段的长度应不小于。0.52cosDiSr2 0.5DiSr（2）锥壳小端连接处的壁厚n对于锥壳小端，当锥壳半顶角450时，可采用无折边结构；当450时，应采用带过渡段的折边结构。n n n 锥壳小端的壁厚：以与半顶角值查图3-22，当其交点位于曲线之上时，不必局部加强，其壁厚按（3-28）式计算。当其交点位于曲线之下方时，则需要局部加强，锥壳和圆筒加强段厚度需相同，其加强区计算壁厚按（3-30）式计

9、算： n （3-30） 2tQPcDisSPc 确定锥体小端与筒体连接处的加强图确定锥体小端与筒体连接处的加强图 n式中为系数，由图3-21查得，遇中间值用内插法。n加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚度。锥壳加强段的长度L1应不小于n ；n圆筒加强段的长L2度应不小于 。D isSrC O SDisSr受内压无折边锥形封头设计总结n 综上所述，无折边锥壳的厚度：当无折边锥壳大端或小端，或大、小端同时具有加强段时，应按（3-28）式、（3-29）式和（3-30）式分别确定各部分厚度。如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无折边锥壳的厚度。2、受内压折边锥形封头n 当锥壳大端

10、的半顶角300时，当锥壳小端的半顶角450时，应采用带过渡段的折边结构。n 大端折边锥壳的过渡段转角内半径r应不小于封头大端内直径Di的10%，且不小于该过渡段厚度的3倍.n 小端折边锥壳的过渡段转角内半径r应不小于封头小端内直径Dis的5%，且不小于该过渡段厚度的3倍.n(1)锥壳大端n 折边锥壳厚度按下述之（3-29）式和（3- 30）式计算，取其较大值。nA、过渡段厚度： （3-31）nB、与过渡段相连接处的锥壳厚度： n （3- 32） 20.5tKPcDiSPc 20.5tfPcDiSPc 表表3-10 系数系数K值值n（2）锥壳小端n 当锥壳半顶角450时，若采用小端无折边，其小端

11、厚度按（4-28）式计算，如需采用小端有折边，其小端过渡段厚度仍按（4-28）式计算，式中系数，由图4-18查取。当锥壳半顶角450时，其小端过渡段厚度仍按（4-28）式计算，但式中系数，由图4-19查取。n n 与过渡段相接的锥壳和圆筒加强段厚度应与过渡段厚度相同。锥壳加强段的长度L1应不小于:n n圆筒加强段的长度L2应不小于:cosD isSrDisSr折边锥壳的厚度设计总结n 综上所述，折边锥壳的厚度：当锥壳大端或大、小端同时具有过渡段时，应按（4-27）式，（4-30）式和（4-29）式分别确定各部分厚度。如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壳的厚度。n

12、 当锥壳半顶角600时，其厚度可按平盖计算，也可用应力分析方法确定。n 标准带折边锥形封头有半顶角为300及450两种，锥体大端过渡区圆弧半径r=0.15Di 。六、平板封头n 平板封头的几何形状有圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等。n 对于周边固定（夹持）受均布载荷的圆平板n 其最大应力是径向弯曲应力，产生在圆板的边缘（图3-25），其值由下式计算： n （3-33） 222max330.188416RDDPPPSSS对于周边简支受均布载荷的圆平板n 其最大应力产生在圆板的中心，且此时此处的径向弯曲应力与切向弯曲应力相等（图3-26），其值由下式计算： n （3-34）2220.3m ax3

13、 31.240.318P RDDPPSSS 当 取时平板封头计算公式n 根据强度条件：由（3-33）式和（4-34）式即可得到相应的圆平板封头厚度的计算公式： n 周边固定（夹持）n n 周边简支 0.188tPSD0.31tPSDn 由（4-33）式和（3-34)式可知，薄板的最大弯曲应力与（R/S )2成正比，而薄壳的最大拉（压）应力与R/S成正比。因此，在相同的R/S和相同的载荷的情况下，薄板的所需厚度要比薄壳大得多，即在相同操作压力下，平板封头要比凸形封头厚得多。n 对于压力容器的人孔、手孔等在操作时需要用盲板封闭的地方，广泛采用平板盖。此外，在高压容移中，平板封头用得较为普遍。这是因

14、为高压容器的封头很厚，直径又相对较小，凸形封头的制造较为困难。随着制造技术的发展，半球形封头在高压容器中已经开始应用，但到目前为止，平板封头仍然是高压容器应用得最多的一种形式。 表4-15平板封头系数Kn 以上两种情况的壁厚计算公式形式相同，惟系数不同。由于实际上平板封头的边缘支撑情况很难确定，它不属于纯刚性固定也不属于纯简支的情况，往往是介于这两种情况之间，既系数在0.1880.13之间.n 对于平板封头的设计，在有关化工容器设计规定中，利用一个结构特征系数K，将平板封头厚度的设计公式归纳为：tKPSDc七、例题n例题3-1 某化工厂欲设计一台石油气分离中的乙烯精馏塔。工艺参数为：塔体内径D

15、i = 600 mm，计算压力为Pc=2.2MPa，工作温度为 t=320 0C。试选择塔体材料并确定塔体壁厚和封头型式与尺寸.n解 (1) 选材n由于石油气对钢材的腐蚀不大，温度在320 0C，压力为中压，故选用16 MnR 。n(2) 确定参数nPc =2.2 Mpa; Di=600 mm; t =170 MPan=0. 8（采用带垫板的单面焊对接接头，局部无损擦伤），n取C21 mm。n(3）计算壁厚22.260021700.82.24.9tPcDiSPcn设计壁厚 Sd=S+C2=4.9+1.0=5.9(mm)n根据计算壁厚4.9 mm，加上C2后为5.9 mm，查表3-4得C1= 0.6 mm，n则 C=C1+C2=1. 6mm，n故 4.9C4.91.66.5 (mm）n 圆整后取厚度为Sn=7 mm（根据表3-4复验名义厚度为7 mm时钢板厚度负偏差仍为C1=0.6(