内压容器封头的设计课件

容器封头（端盖）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球冠形封头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图10-1半球形封头第一节凸形封头注解：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，为了焊接方便以及降低边界处的边缘压力，球形封头通常与筒体等厚设计。半球形封头多用于大型高压容器的封头和压力高的贮罐上。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的短圆筒(通称为直边)两部分所构成。直边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的环向焊缝受边缘应力作用。图10-2椭圆形封头二、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结论：当椭球壳的长短半轴a/b＞2时，椭球壳赤道上出现很大的环向应力，其绝对值远大于顶点的应力，从而引入形状系数K。（也称应力增加系数）标准椭圆封头K=1（a/b=2）,计算厚度公式为结论：当椭球壳的长短半轴a/b＞2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

GB150-1998规定

椭圆形封头标准为JB／T4737—95

K≤1时，eδ≥0.15%iD

K＞1时，eδ≥0.30%iD

椭圆封头最大允许工作压力计算公式GB150-1998规定表10-2标准椭圆形封头的直边高度h。封头材料碳素钢、普低钢、复合钢板高合金钢封头壁厚mm4～810～18≥203～910～18≥20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

三、碟形封头图10-3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

计算厚度公式

GB150-1998规定

标准碟形封头计算厚度公式M≤1.325时，eδ≥0.15%iD

M＞1.325时，eδ≥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：

便于手工加工成型,且可在现场安装制造。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接处因为曲率半径有突变，故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Ri≤Di,r/Di≥0.1,且r≥3δn（封头名义厚度）。优点：四、球冠形封头（也称无折边球形封头）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Ri控制为圆筒内直径Di的0.7～1.0倍。作用球冠形封头多用作容器中两独立受压的中间封头，也可用作容器的端盖。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Di——封头和筒体的内直径，Di≠2Ri,mm;Q——系数（由算图查得）

注解：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；端封头一侧或中间封头两侧的加强段长度L应满足（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。锥形封头厚度计算公式

Dc锥壳大端直径

第二节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、矩形和方形等，最常用的是圆形平板封头。在各种封头中，平板结构最简单，制造就方便，但在同样直径、压力下所需的厚度最大，因此一般只用于小直径和压力低的容器。但有时在高压容器中，如合成塔中也用平盖，这是因为它的端盖很厚且直径较小，制造直径小厚度大的凸形封头很困难。第三节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

平板封头的计算厚度mm

计算直径mm

计算压力

MPa

焊接接头系数

结构特征系数

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。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。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。第四节封头的选择1、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半径r平板受力情况最差封头愈深，直径和厚度愈大，制造愈困难2、力学方面3、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1某化工厂欲设计一台乙烯精馏塔。已知塔内径Di=600mm，厚度δn=7mm，材质为16MnR，计算压力pc=2.2MPa，工作温度t=-20～-3℃。试确定该塔的封头形式与尺寸。解：从工艺操作要求来看，封头形状无特殊要求，现按凸形封头和平板封头设计并比较。（1）若采用半球封头

式中pc=2.2MPa；Di=600mm；[σ]t=170MPa。取C2=1mm，φ=0.8（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φ=1.0（封头整板冲压）。（3）若采用标准碟形封头，则（2）若采用标准椭圆形封头，则式中φ=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mm式中Dc=600mm，查图10-4得K取0.25，并φ取1.0。mmmm即圆整后采用δn=38mm厚的钢板。（4）若采用平板封头，则mm式中Dc=600mm，查图10-表10-5各种封头计算结果比较封头型式厚度/mm深度（包括直边）/mm理论面积/m2质量/kg制造难易程度半球形椭圆形碟形平板形46738300175161—0.5650.4660.4100.23817.82122.483.9较难较易较易易由上表可见，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2：设计一台圆形受压容器，内径Di=1400mm，长度l=3000mm，两端为标准椭圆形封头，筒体和封头材料均选用16MnR，腐蚀裕量取2mm，工作温度为280℃，最高工作压力为1.6MPa，试确定筒体和封头的厚度。解：1、筒体的厚度筒体的计算厚度按下式计算式中：pc=1.1×1.6=1.76MPaDi=1400mm[σ]t=156-[（156-144）/50]×30=148.8MPa（假定钢板厚度在6～16mm范围内）例2：设计一台圆形受压容器，内径Di=1400mm，长度l=取Φ=0.85（双面对接焊，局部无损探伤）mm又因为C2=2mm设计厚度δd=δ+C2=11.81mm取C1=0.8mm（假定钢板在8～25mm范围内）则钢板名义厚度δn=14mm检查：δn=14mm，[σ]t、C1无变化，故取δn=14mm合适。取Φ=0.85（双面对接焊，局部无损探伤）mm又因为C2、封头的壁厚封头的计算厚度按下式计算式中：K=1（标准椭圆封头）

φ=0.85（封头采用拼焊后冲压成型）mm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

δd=δ+C2=9.77+2=11.77mm

又C1=0.8mm则名义厚度δn=14mm检查：δn=14mm，[σ]t、C1无变化，故取δn=14mm3、容器水压试验试验压力按下式计算式中：[σ]=170MPa则封头设计厚度式中：[σ]=170MPap=pc=1.76MPaMPa筒体的有效厚度δe=δn-（C1+C2）=14-2.8=11.2mm

且σts=345MPa所以压力试验时圆筒壁中的应力为0.9σts=0.9×345=310.5MPa所以σT<0.9σts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0.9σts=例3:某厂库存一台内径为1000mm、长为26000mm的圆筒形容器，实测该容器的筒体厚度为10mm，两端为标准椭圆形封头，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，试问该容器是否可作为计算压力为2MPa、温度为250℃、介质无腐蚀的分离器？解：该容器按下式校核其应力式中：pc=2MPa，C1=0.8mm，C2=0，φ=0.85；δe——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[σ]t=122MPa[σ]tφ=122×0.85=103.7MPa结论：该容器不满足强度校核条件,故不能在p=2MPa条件下使用。δe=δn-（C1+C2）=10-（0.8+0）=9.2mm所以又因为结论：δe=δn-（C1+C2）=容器封头（端盖）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球冠形封头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图10-1半球形封头第一节凸形封头注解：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，为了焊接方便以及降低边界处的边缘压力，球形封头通常与筒体等厚设计。半球形封头多用于大型高压容器的封头和压力高的贮罐上。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的短圆筒(通称为直边)两部分所构成。直边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的环向焊缝受边缘应力作用。图10-2椭圆形封头二、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结论：当椭球壳的长短半轴a/b＞2时，椭球壳赤道上出现很大的环向应力，其绝对值远大于顶点的应力，从而引入形状系数K。（也称应力增加系数）标准椭圆封头K=1（a/b=2）,计算厚度公式为结论：当椭球壳的长短半轴a/b＞2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

GB150-1998规定

椭圆形封头标准为JB／T4737—95

K≤1时，eδ≥0.15%iD

K＞1时，eδ≥0.30%iD

椭圆封头最大允许工作压力计算公式GB150-1998规定表10-2标准椭圆形封头的直边高度h。封头材料碳素钢、普低钢、复合钢板高合金钢封头壁厚mm4～810～18≥203～910～18≥20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

三、碟形封头图10-3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

计算厚度公式

GB150-1998规定

标准碟形封头计算厚度公式M≤1.325时，eδ≥0.15%iD

M＞1.325时，eδ≥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：

便于手工加工成型,且可在现场安装制造。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接处因为曲率半径有突变，故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Ri≤Di,r/Di≥0.1,且r≥3δn（封头名义厚度）。优点：四、球冠形封头（也称无折边球形封头）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Ri控制为圆筒内直径Di的0.7～1.0倍。作用球冠形封头多用作容器中两独立受压的中间封头，也可用作容器的端盖。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Di——封头和筒体的内直径，Di≠2Ri,mm;Q——系数（由算图查得）

注解：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；端封头一侧或中间封头两侧的加强段长度L应满足（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。锥形封头厚度计算公式

Dc锥壳大端直径

第二节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、矩形和方形等，最常用的是圆形平板封头。在各种封头中，平板结构最简单，制造就方便，但在同样直径、压力下所需的厚度最大，因此一般只用于小直径和压力低的容器。但有时在高压容器中，如合成塔中也用平盖，这是因为它的端盖很厚且直径较小，制造直径小厚度大的凸形封头很困难。第三节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

平板封头的计算厚度mm

计算直径mm

计算压力

MPa

焊接接头系数

结构特征系数

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。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。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。第四节封头的选择1、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半径r平板受力情况最差封头愈深，直径和厚度愈大，制造愈困难2、力学方面3、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1某化工厂欲设计一台乙烯精馏塔。已知塔内径Di=600mm，厚度δn=7mm，材质为16MnR，计算压力pc=2.2MPa，工作温度t=-20～-3℃。试确定该塔的封头形式与尺寸。解：从工艺操作要求来看，封头形状无特殊要求，现按凸形封头和平板封头设计并比较。（1）若采用半球封头

式中pc=2.2MPa；Di=600mm；[σ]t=170MPa。取C2=1mm，φ=0.8（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φ=1.0（封头整板冲压）。（3）若采用标准碟形封头，则（2）若采用标准椭圆形封头，则式中φ=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mm式中Dc=600mm，查图10-4得K取0.25，并φ取1.0。mmmm即圆整后采用δn=38mm厚的钢板。（4）若采用平板封头，则mm式中Dc=600mm，查图10-表10-5各种封头计算结果比较封头型式厚度/mm深度（包括直边）/mm理论面积/m2质量/kg制造难易程度半球形椭圆形碟形平板形46738300175161—0.5650.4660.4100.23817.82122.483.9较难较易较易易由上表可见，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2：设计一台圆形受压容器，内径Di=1400mm，长度l=3000mm，两端为标准椭圆形封头，筒体和封头材料均选用16MnR，腐蚀裕量取2mm，工作温度为280℃，最高工作压力为1.6MPa，试确定筒体和封头的厚度。解：1、筒体的厚度筒体的计算厚度按下式计算式中：pc=1.1×1.6=1.76MPaDi=1400mm[σ]t=156-[（156-144）/50]×30=148.8MPa（假定钢板厚度在6～16mm范围内）例2：设计一台圆形受压容器，内径Di=1400mm，长度l=取Φ=0.85（双面对接焊，局部无损探伤）mm又因为C2=2mm设计厚度δd=δ+C2=11.81mm取C1=0.8mm（假定钢板在8～25mm范围内）则钢板名义厚度δn=14mm检查：δn=14mm，[σ]t、C1无变化，故取δn=