第十章内压容器封头的设计
内压圆筒封头的设计
[Pw ]
2[ ]tSe
KDi 0.5Se
内压圆筒封头的设计
三、碟形封头
碟形封头由三部分组成：以Ri为半径的部分球面，以r 为半径的过渡圆弧（即折边）和高度为h的直边。
❖ 壁厚计算公式
S 1.2Pc Di
2[ ]t 0.5Pc
❖ 最大允许工作应力的计算
.5Se
内压圆筒封头的设计
四、球冠形封头
球冠形封头又称为无折边球形封头。为了进一步降低凸形封头的高度，将碟形封 头的直边及过渡圆弧部分去掉，只留下球冠部分。并把它直接焊在简体上，就 构成了球冠形封头。
受内压球冠形封头的计算壁厚按下式计算
S
QPc Di
2[ ]t
Pc
内压圆筒封头的设计
五、锥形封头
锥形封头广泛应用于立式化工设备、环保设备的底部以便于卸除物料。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。这时的锥壳叫变径段。
计算壁厚公式为
Sc
PD
2[ ]t
1
cos
内压圆筒封头的设计
为了降低连接处附近的边缘应力，可采用以下两种方法 ①将连接处附近的封头及筒体壁厚增大，这种方法叫局部加强。 ②在封头与筒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
边三部分所构成,这种封头称为带折边锥形封头。
内压圆筒封头的设计
环保设 备
内压圆筒封头的设计
封头的分类 凸形封头 半球形封头 椭圆形封头 碟形封头 球冠形封头（无折边球形）封头 折边锥形封头 锥形封头 无折边锥形封头
平板封头
内压圆筒封头的设计
一、半球形封头
半球形封头是由半个球壳构成的。直径较小、器壁较薄的半球形封头可以整体热 压成形。大直径的先分掰冲压，再焊接组合。它的计算壁厚公式与球壳相同
10内压容器封头的设计
10内压容器封头的设计内压容器的封头设计是确保容器的密封性能和安全性能的重要组成部分。
下面将从封头结构的选择、材料的选择和设计中需要考虑的因素等方面进行详细介绍。
首先，封头结构的选择是封头设计的基础。
目前常见的封头结构有球冠封头、扁平封头、锥封头和半椭圆封头等。
不同的封头结构适用于不同压力和容器形状的需求。
例如，球冠封头可以承受较高的内压，适用于圆柱形容器；扁平封头适用于较低压力的容器，并且制造成本较低。
其次，封头的材料选择是封头设计的关键。
常见的封头材料有碳素钢、不锈钢和合金钢等。
封头的材料要能够承受内压的力和温度的影响，同时具备良好的抗腐蚀性能。
选择合适的材料是确保封头能够满足使用要求、延长使用寿命的重要因素。
此外，封头设计还需要考虑以下几个因素：1.强度计算：封头在承受内压作用下应具备足够的强度，需进行强度计算，确保封头的安全性能。
2.薄壁效应：由于封头较薄，承受内压时易出现薄壁效应，需通过增加增强筋、加厚封头厚度等方式提高封头的刚度。
3.根部连接：封头与容器的根部连接处是一个薄弱环节，需采取合适的焊接工艺或螺栓连接方式，确保连接的强度和密封性。
4.封头与容器之间的平滑过渡：封头与容器之间的过渡要求平滑，以减少应力集中和异物积聚，同时方便清洗和维修。
5.泄漏预防：封头的设计应考虑到泄漏的预防，采用合适的密封填料、密封结构和紧固件，确保封头在使用过程中不出现泄漏现象。
综上所述，内压容器封头的设计需要综合考虑封头结构、材料选择和设计中的各项因素，确保封头的密封性能和安全性能。
同时，在设计过程中需要遵循相关国家和行业标准，进行强度计算和可靠性分析，以满足容器的使用要求。
球冠形封头
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。
t
t
pc Di
C2
注解：
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。
t = pc Di e t 图 10-1 p w 半球形封头 = 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， Di e 4 e
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。
2、力学方面
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
3、制造及材料消耗方面
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，
2 pc
t
Qpc Di
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
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）。
第10章容器设计基础
10.2 内压薄壁容器设计
一、薄壁容器设计的理论基础
1、薄壁容器 容器 厚壁容器 K＞1.2
薄壁容器 K ≤1.2
δ/Di≤0.1
根据容器的外径D0和内径Di的比值K来判断。
D0 Di 2 K 1 2 Di Di Di
石油、化工中使用的压力容器大多为薄壁容器。
2、圆筒薄壁容器承受内压时的应力
无缝钢管一般只适用DN600以下的，直径再大的管线 就要选有缝管。总体来说，无缝管质量低于有缝管。
热扎无缝钢管的生产过程
粗扎
精扎
有缝管的标记 有缝管的标记用公称直径表示：
DN50
公称直径 公称直径是近似内径的一个代号，可用mm或in表 示，每个公称直径对应一个外径D0，但厚度不同 （普通、加厚）→内径Di不同。
以外径为基准的压力容器的公称直径（GB9019—2001）
159 219 273 325 377 426
（2）管子的公称直径（口径、通径）
有缝管（焊接管）：由钢板卷曲焊接而成，化工 厂用来输送水、煤气、空气、油以及取暖用蒸 汽等流体管道。 无缝管：直接生产出，分热轧管和冷拔管两种。前 者最大直径为630mm，后者最大直径为200mm。
三、容器零部件标准化
基本参数 1、公称直径 公称直径DN 公称压力PN
指标准化后的标准直径，DN表示，单位mm
（1）压力容器的公称直径 筒体 钢板卷焊：内径 无缝钢管：外径
封头：公称直径与筒体一致
以内径为基准的压力容器的公称直径（GB9019—2001）
300 800 1800 3000 4600 (350) 900 (1900) 3200 4800 400 1000 2000 3400 5000 (450) (1100) (2100) 3500 5200 500 1200 2200 3600 5400 (550) (1300) (2300) 3800 5500 600 1400 2400 4000 5600 (650) (1500) 2500 4200 5800 700 1600 2600 4400 6000 (750) (1700) 2800 4500
压力容器零部件设计---1封头设计
平板形封头
α＜30º
30º＜α＜60º
设计问题： 1球形封头与圆筒连接
椭圆形封头的最小厚度
标准椭圆形封头：δe≥0.15%Di
非标准椭圆形封头：δe≥0.30%Di
设计问题： 1椭圆形封头与法兰连接（GB150 7.6）
内压碟形封头
壁厚：
MPC Ri 2[ ]t 0.5PC
3、冷成形封头热处理的问题
GB150中10.4.2.2规定冷成形封头应进行热处理， 当制造单位确保成形后的材料性能符合设计使用要 求时，不受此限。除图样另有规定，冷成形的奥氏 体不锈钢封头可不进行热处理。
关于凸形封头的几个问题
4、封头成形的主要质量问题 （1）形状偏差要求 （间隙样板弦长和外凸内凹问题）
按半球形封头计算壁厚，R0取球面部分外半径。
4、无折边球形封头
按半球形封头计算壁厚
关于凸形封头的几个问题
1、封头成形时壁厚减薄量的问题
JB/T4746规定：按照GB150设计的封头，图样上标注了最小 厚度（设计厚度），则封头成形后实测厚度不得小于该最小 厚度；如未标最小厚度，则成形后实测厚度不小于名义厚度 减去钢板负偏差。
关于凸形封头的几个问题
2、关于拼接封头拼接接头系数φ的选取
GB150中10.8.2.2只规定了封头拼接接头应进行100%UT或 者RT检测，但未规定拼接接头系数φ是如何选取？
结论：拼接封头拼接接头系数φ的选取等同于该容器的纵 向焊接接头系数。 Φ=0.85时，RT Ⅲ级合格
Φ=1.0时， RT Ⅱ级合格
GB150中10.2.3.2规定用弦长等于封头内径3/4Di的内 样板检查，其最大间隙不得大于封头内径Di的1.25%
压力容器封头
压力容器封头在压力容器设计和制造中，封头作为容器的重要组成部分承担着关键的封闭和支撑功能。
压力容器封头的类型多种多样，常见的有椭圆封头、扁圆封头、拱形封头等。
对于不同类型的封头，其设计与制造过程存在一定差异，但都需要满足一系列严格的标准和要求。
压力容器封头的功能压力容器封头在容器中起到封闭容器、保持内部压力的作用。
其主要功能包括：1.封闭容器：封头将容器的端部完全封闭，防止容器内介质泄漏或外界杂质进入。
这保证了容器内部介质的纯净性和安全性。
2.承受内部压力：封头需要能够承受容器内介质产生的压力，确保容器在工作过程中能够稳定运行，不会发生压力失控或破裂。
3.承受外部荷载：除了内部压力，封头还需要承受外部荷载对容器的作用，保证容器能够安全地运行在不同环境条件下。
压力容器封头的设计要点设计一个合适的压力容器封头需要考虑多个方面因素，包括封头的类型、尺寸、材料等。
以下是一些设计要点：1.封头类型选择：根据容器的实际工作条件和要求选择合适的封头类型，不同类型的封头具有不同的受力性能和适用范围。
2.受力分析：在设计过程中进行受力分析，确保封头在承受内外压力的情况下不会发生破裂或变形，保证容器的安全性。
3.材料选择：选择合适的材料以满足封头的强度和耐腐蚀性能要求，常见的材料包括碳钢、不锈钢、合金钢等。
4.连接方式：封头与容器的连接方式也是设计的重要部分，通常采用焊接、螺栓连接等方式，要确保连接牢固可靠。
压力容器封头的制造工艺压力容器封头的制造包括材料准备、成型、加工和检测等多个环节，其中制造工艺对封头的质量和性能有着重要影响。
1.材料准备：根据设计要求选取合适的封头材料，并进行切割、预成形等准备工作。
2.成型：通过冷冲、热冲、冷镦、热镦等方式将材料成型成所需形状，保证封头的几何尺寸和表面质量。
3.加工：进行封头表面的粗加工和精加工，包括修磨、抛光等工艺，确保封头表面光洁度和尺寸精度。
4.检测：在制造过程中对封头进行质量检测，包括外观检查、尺寸检测、压力试验等，确保封头符合设计标准和要求。
内外压容器——受压元件设计
价于pc≤0.4[σ]tφ 3）公式来由：内压圆筒壁厚计算公式是从圆筒与内压的
二、压力容器受压元件计算
二、压力容器受压元件计算
（1） 圆筒受压力 pc 的轴向作用：
pc 在圆筒轴向产生的总轴向力：
= F1
r
计算公式：
Qpc Dis
2 t pc
其中：Q 也称应力增值系数，其中体现边界力作用引起
的局部环向薄膜应力，并将许用应力控制值调至
1.1[σ] t 。
二、压力容器受压元件计算
d.加强段长度 a) 锥壳大端加强度长度 L1：
0.5Di r L1=2 cos 与之相接的圆筒也同时加厚至δr，称圆筒加强段
2
2
经变形得：2σθδ－pcδ=pcDi δ（2σθ－pc ）=pc·Di
当σθ控制在[σ] t ，且考虑焊缝系数φ时，即σθ取[σ]t φ时，
pc Di
2 t
pc
此即 GB 150 中的内压圆筒计算厚度的公式（见 P26，式 5－1），
称中径公式。
二、压力容器受压元件计算
4）公式计算应力的意义: 一次总体环向薄膜应力，控制值[σ]。 采用中径公式后，计算的应力水平和拉美公式计算结果相比，
3）焊缝接头系数。 指拼缝，但不包括椭封与圆筒的连接环缝的接头系 数。 4）内压稳定: a. a/b≯2.6限制条件 b.防止失稳，限制封头最小有效厚度: a/b≤2，即K≤1 δmin≥0.15%Di a/b ＞2，即K＞1 δmin≥0.30% Di
二、压力容器受压元件计算
B.外压作用下: 1）封头稳定以薄膜应力为对象计算: a.变形特征: 趋扁。 b.计算对象
化工机械基础-第10章 内压容器封头设计
a.结构最简单，制造最容易的一种封头形式； b.对于同样直径和压力的容器，厚度最大。
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化工设备机械 基础
各种封头比较
1）从受力情况看，半球形封头最好，椭圆形和碟 形其次，球冠形和锥形更次之，平板最差； 2）从制造角度看，平板最容易，球冠形和锥形次 之，碟形和椭圆形更次，而半球形最难； 3）从使用而论：
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化工设备机械 基础
设计思路：
1）对于受均匀内压封头的强度计算，不仅 要考虑封头本身因内压引起的薄膜应力，还 要考虑与筒身连接处的边缘应力。
2）在封头设计中，薄膜应力作为强度判断 中的基本应力；而把因不连续效应产生的 应力增强影响以应力增强系数的形式引入 壁厚计算式。
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化工设备机械 基础
a.由球面，过渡段和直边段组成； b.过渡段的存在，降低了封头深度，便于加工； c.三部分连接处，经向曲率突变，不连续应力比 薄膜应力大，受力不佳。
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化工设备机械 基础
(4)锥形封头
a.就强度而论，锥形封头的结构不理想； b.封头的形式，决定了容器的使用要求，比如，对 于气体的均匀进入和引出，悬浮或粘稠液体和固 体颗粒的排放，不同直径圆筒的过度，是理想的 结构形式。
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化工设备机械 基础
标准碟形封头壁厚：
d
1.325 pcDi
2 t 0.5 pc
C2
pC＝2.2MPa；Di=600mm； []t=189MPa；j=1.0，C2=1.0mm 考虑钢板厚度负偏差，取C1=0.3mm
代入并经圆整后用n=6mm钢板。
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平板封头壁厚：
化工设备机械 基础
§10.1 凸形封头
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第十章内压容器封头的设计
内压容器封头是内压容器的重要组成部分，其设计要求能够承受内部
压力的作用，具有良好的密封性和较高的强度。
本文将从封头类型、设计
原则、材料选择和加工工艺等方面进行详细探讨。
一、常见的封头类型
常见的内压容器封头类型包括平面封头、壳体侧首封头和球冠封头等。
平面封头是最常见的一种封头形式，它具有简单的结构和制造工艺，适用
于较低压力和较小直径的容器。
壳体侧首封头通过连接到容器壳体的侧壁
上来承受内压力，适用于较大直径和较高压力的容器。
球冠封头具有良好
的均匀应力分布和较好的抗压性能，适用于高压容器。
二、封头设计原则
1.强度设计原则：封头设计要考虑到承受的内压力和外界荷载的作用，确保其具有足够的强度和刚度。
常用的强度设计方法有薄壁理论、试算法
和有限元分析等。
2.疲劳寿命设计原则：封头在使用过程中将受到周期性的内压力波动，容易出现疲劳破坏，因此需要进行疲劳寿命设计，确保其耐久性。
3.密封性设计原则：封头应具有良好的密封性能，不仅能够防止介质
泄漏，还要防止外界介质进入容器内部。
常见的密封方式有搭接密封、堆
焊密封和凸台密封等。
4.热应力设计原则：容器在使用过程中会受到温度的变化，导致封头
产生热应力。
设计时需要考虑温度变化对封头的影响，避免热应力引起的
变形和破坏。
三、材料选择
封头的材料选择要满足以下要求：具有足够的强度和韧性、良好的耐腐蚀性、适宜的可焊性和加工性。
常用的封头材料有碳钢、不锈钢、合金钢和铝合金等。
不同的材料适用于不同的工作条件，需要根据容器的使用环境和介质特性来选择合适的材料。
四、加工工艺
封头的加工工艺包括冷冲压、热冲压、冷拉、热拉和焊接等。
冷冲压和热冲压是常用的封头成形方法，可以制造出高精度和复杂形状的封头。
冷拉和热拉是常用的优化工艺，可以进一步提高封头的强度和韧性。
焊接是连接封头与容器壳体的主要方法，需要注意焊接接头的质量和焊接残余应力的控制。
综上所述，内压容器封头的设计要考虑强度、疲劳寿命、密封性和热应力等因素，选择合适的封头类型和材料，并采用适当的加工工艺。
只有满足这些设计原则和要求，才能保证内压容器的安全运行和长期稳定性。