内压容器封头的设计
内压圆筒封头的设计
该容器的最大安全使用压力为14.2 Mpa。
表4-15平板封头系数K
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，即系数在 0.188~0.13之间.
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：
Ri=0.7~1.0Di
球冠形封头的设计
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。
受内压球冠形封头的计算壁厚按下式计 算：
S
QPcDi
2 t Pc
边缘（图3-25），其值由下式计算：
max
3 4
P
R S
2
3 16
P
D S
2
0.188P
D S
2
（3-33）
对于周边简支受均布载荷的圆平板
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：
max
33
m
8
P
R S
2
当取0.3时
（３）若用标准碟形封头,其壁厚按4-2４计算
S
1.2PcDi
2 t 0.5Pc
1.2 2.2 600 21701.0 0.5 2.2
4.67(mm)
Sd S C2 4.67 1.0 5.67(mm)
Sd C1 5.67 0.25 5.92(mm)
第十章内压容器封头的设计
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。
化工设备机械基础(第四版)第4章内压薄壁圆筒与封头的
若取第三强度理论，
S
பைடு நூலகம்
PD
2 t
S PcDi S
2[]t
整理得到计算壁厚S的公式，
❖ 若基于外径：
S
Pc Di
2[ ]t
Pc
基于内径的圆筒 计算壁厚公式
同样取第三强度理论，S
PD
2 t
S
PcDo S
2[]t
整理得到计算壁厚S的公式，
S
Pc Do
2[ ]t
Pc
基于外径的圆筒 计算壁厚公式10
若考虑腐蚀裕量C2，得到 设计壁厚Sd， Sd S C2 名义壁厚 Sn Sd C1
对于承受均匀内压的薄壁容器，其主应力规定为：
环向应力 轴向应力
1
PD 2S
2
m
PD 4S
径向应力 3 r 0
5
2.1 第一强度理论
根据：当作用在构件上的外力过大时，材料就会沿着最大拉应力
所在的截面发生脆性断裂，也就是说，不论在什么样的应力状态
下，只要三个主应力中最大拉应力σ1达到了 材料的极限应力，材 料就发生破坏；
GB150-1998规定： • 碳素钢和低合金钢制容器，取Smin3mm • 高合金钢制容器，取 Smin2mm
24
4. 压力试验及其强度校核
➢ 为了检查容器的宏观强度和有无渗漏情况，容器投入使用之前， 必须作压力试验或气密性试验；
➢ 压力试验一般采用液压试验，对于不适合液压试验的容器，可进 行气压试验；
21
3.5.2 腐蚀裕量C2
• 由于容器在使用过程中会受到介质的腐蚀，因此必须考虑一定的 腐蚀裕量；
• 介质不同、材料不同，所考虑的腐蚀裕量值也不尽相同。
13_压力容器设计_常规设计_圆筒封头设计
大型锻件锻造现场
4.3 常规设计
4.3.2 圆筒设计
锻焊式： 在整体锻造的基础上，筒节 之间进行环焊缝连接，满足长度 方向的要求。对焊缝质量要求高。 对于厚板卷制圆筒制造的厚壁圆筒容器，工艺简 单，生产率高，但厚板质量不易保证。
4.3 常规设计
4.3.2 圆筒设计
钢板等离子数控切割下料
4.3 常规设计
4.3 常规设计
4.3.2 圆筒设计
(2) 内压圆筒的强度设计 (p112) ① 中低压薄壁圆筒厚度计算（弹性失效设计准则） 薄壁圆筒承受两向薄膜应力，有
pD pD 1 , 2 , 3 z 0 2 4
由最大主应力理论(见p103，4-3式)，可得强度条件为
2 pso s ln K (2 52) 3 这里，筒壁厚度 Ro Ri Ri ( K 1) ，代入上式， 3 pso pso 2 s 解得， Ri e 1 ，这里，令工作压力 p ， nso 3 nso p 得到计算壁厚 Ri e 2 s 1 (4 16)
4.3 常规设计
4.3.2 圆筒设计
① 单层式 对于中低压圆筒，直接用薄钢板卷制而成。每个 筒节有一道纵焊缝，筒节之间为环焊缝。 对于高压厚壁容器，结构形式有如下几种：
整体锻造式 质量得到保 证，材料损耗大， 尺寸小，成本高。
4.3 常规设计
4.3.2 圆筒设计
核反应器蒸汽发生器水室封头锻件
4.3 常规设计 常规设计 4.3.2 4.3.2圆筒设计 圆筒设计
4.3 常规设计
4.3.2 圆筒设计
(3) 设计技术参数的确定 压力容器设计技术参数主要有：设计压力、设计 温度、厚度、厚度附加量、焊缝系数和许用应力。
压力容器用封头标准
压力容器用封头标准压力容器是一种用于贮存或运输气体、液体或固体的设备，它们承受着内部介质的压力，因此在设计和制造过程中需要特别注意其安全性。
而封头作为压力容器的重要组成部分，其标准化对于保证压力容器的安全运行至关重要。
首先，我们需要了解封头的种类。
常见的封头类型包括，球形封头、扁平封头、锥形封头、椭圆形封头等。
每种类型的封头都有其适用的场景和特点，例如球形封头适用于承受内压的容器，而椭圆形封头则适用于承受内外压力的容器。
因此，在选择封头标准时，需要根据实际情况和设计要求进行合理选择。
其次，封头的标准化对于压力容器的安全性和可靠性至关重要。
标准化的封头可以保证其质量和性能符合相关的安全标准和规定，从而保证压力容器在工作中不会发生泄漏、爆炸等安全事故。
因此，压力容器制造商和设计师在选择封头标准时，需要严格遵循相关的标准要求，确保所选用的封头符合国家或行业标准。
另外，封头的制造工艺和材料也是影响其标准化的重要因素。
制造封头的工艺需要保证其表面光洁度和尺寸精度，以及材料的强度和耐腐蚀性能。
只有在制造过程中严格控制质量，选择合适的材料，才能保证封头的标准化和可靠性。
最后，封头的安装和维护也是保证其标准化的重要环节。
在压力容器的安装和维护过程中，需要严格按照相关的操作规程和标准要求进行，确保封头的安装位置正确、固定牢靠，以及定期进行检测和维护，及时发现并排除潜在的安全隐患。
综上所述，压力容器用封头标准是保证压力容器安全运行的重要环节，选择合适的封头标准、严格控制制造工艺和材料、以及正确的安装和维护是保证封头标准化的关键。
只有在这些方面做到位，才能有效保障压力容器的安全运行，避免安全事故的发生。
化工设备设计基础第8章内压薄壁圆筒与封头的强度设计
Sc pcDi
2[]t- pc
计算壁厚公式
考虑腐蚀裕量C2，得到圆筒的设计壁厚
Sd 2[p]ctD-i pc C2
设计壁厚公式
设计壁厚加上钢板厚度负偏差C1，再根据钢板标准规格向上圆整确定 选用钢板的厚度，即名义壁厚（Sn），即为图纸上标注厚度。
一、强度计算公式
1.圆筒强度计算公式的推导 1.2 无缝钢管作筒体（外径DO为基准）
内径为基准 外径为基准
内径为基准 外径为基准
一、强度计算公式
3.球形容器厚度计算及校核计算公式
3.1厚度计算公式
Sc
pcDi
4[]t -
p
计算壁厚
Sd 4[p]ctD i-pc C2
设计壁厚
3.2校核计算公式
t pcDi Se[]t
4S e
[pw]
4[]tSe
Di Se
已有设备强度校核
确定最大允许工作压 力
常温容器 中温容器 高温容器
[]
minnss
，b
nb
[]t
minnsst
，bt
nb
[]t
minnsst
， D t ， nt
nD nn
二、设计参数的确定
3.许用应力和安全系数
3.2安全系数
安全系数的影响因素： ①计算方法的准确性、可靠性和受力分析的的精确程度； ②材料的质量和制造的技术水平； ③ 容器的工作条件以及容器在生产中的重要性和危险性。
当
0
n
[]
二、强度理论及其相应的强度条件
复杂应力状态的强度条件，要解决两方面的问题： 一是根据应力状态确定主应力； 二是确定材料的许用应力。
内压薄壁容器的主应力：
压力容器封头制造工艺设计指导
压力容器封头制造工艺设计指导压力容器封头是压力容器的重要组成部分，其密封性能直接影响到整个容器的安全运行。
以下是压力容器封头制造工艺设计的指导原则和步骤：1. 材料选择：首先要选择适合的材料来制造封头，常见的材料有碳钢、不锈钢、合金钢等。
选择材料时要考虑容器运行环境的温度、压力以及化学性质等因素。
2. 尺寸设计：根据容器的设计参数和尺寸要求，确定封头的几何形状、直径、半径等。
常用的封头形状有圆形、椭圆形、扁平形等，选择封头形状要考虑装卸方便、强度要求以及与容器其他部件的连接等因素。
3. 制造工艺选择：根据封头的形状和材料特性，选择适合的制造工艺。
常见的封头制造工艺有冷冲压、热冲压、热成形、冷成形、钣金焊接等。
不同的工艺会影响到封头的成形精度、表面光洁度、强度等。
4. 制造过程控制：在制造过程中，要注重控制各个环节的质量。
包括材料的质量检测、尺寸的精确加工、工艺参数的控制等。
尤其需要注意封头的表面质量，不得有明显的凹凸、裂纹和气孔等缺陷。
5. 非破坏性检测：完成封头的制造后，进行非破坏性检测，以确保封头没有内部缺陷，如裂纹、夹杂等。
常用的非破坏性检测方法有超声波检测、涡流检测、射线检测等。
6. 严格质量控制：在整个制造过程中，要进行严格的质量控制。
包括制定工艺流程、建立工艺文件、设置质量检验点、制定质量检验标准等。
确保封头的质量符合相关标准和要求。
综上所述，压力容器封头的制造工艺设计需要综合考虑材料选择、尺寸设计、制造工艺选择、制造过程控制和质量控制等方面的因素。
只有合理设计和严格控制每个环节，才能确保封头的质量和安全性，从而提高整个压力容器的使用寿命和安全性能。
压力容器封头是压力容器的重要组成部分，它承受着压力容器内部的巨大压力和温度，并通过与容器本体的连接实现密封，确保容器的安全运行。
在压力容器封头制造工艺设计中，需考虑封头的材料选择、几何形状设计、制造工艺选择、制造过程控制和质量控制等因素。
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。
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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）。
2.2 600 2.4mm 4 170 0.8 2.2
n C1 C2 2.4 0.3 1 4mm
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，
t
Kpc
mm
式中Dc=600mm，查图10-4得K取0.25，并φ取1.0。
0.25 202 600 34 170 1.0
mm
n C1 C2 34 1.1 1 38 mm
即圆整后采用δn=38mm厚的钢板。
表10-5 各种封头计算结果比较
式中：K=1（标准椭圆封头） φ=0.85（封头采用拼焊后冲压成型）
1 1.76 1400 9.77 2 148 .8 0.85 0.5 1.76
又 C2=2mm
mm
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=14mm
3、容器水压试验
试验压力按下式计算
pT 1.25P t
式中：[σ]=170MPa
p=pc=1.76MPa
pT
1.25p t
170 1.25 1.76 2.52 MPa 148.8
封头型 式 半球形 椭圆形 碟形 平板形 厚度 /mm 4 6 7 38 深度（包括 理论面积/m2 直边）/mm 300 175 161 — 0.565 0.466 0.410 0.238 质量 /kg 17.8 21 22.4 83.9 制造难易 程度 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。
Dc 锥壳大端直径
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。
δe ≥0.15% Di M ≤ 1.325 时， M＞1.325 时， δe ≥ 0.30%Di
标准碟形封头计算 厚度公式
GB150-1998规定
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）。
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
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
1.2 pc Di 1.2 2.2 600 4.67m m t 2 0.5 pc 2 170 1 0.5 2.2
n C1 C2 4.67 0.8 1 8mm
（4）若采用平板封头，则
Dc
内压容器封头的设计 半球形封头 椭圆形封头 凸形封头 碟形封头
容器封头 （端盖）
锥形封头
球冠形封头
平板封头
第一节 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
凸形封头
4 pc
t
pc Di
d
4 pc
t
t
pc Di
C2
注解：
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
t
pc Di
式中：pc=1.1×1.6=1.76MPa
Di=1400mm
[σ]t=156-[（156-144）/50]×30=148.8MPa
（假定钢板厚度在6～16mm范围内）
取Φ=0.85（双面对接焊，局部无损探伤）
1.76 1400 9.81 2 148 .8 0.85 1.76
平板封头厚度设计公式
p Dc
Kpc t [ ]
mm
p
Dc pc K
[ ]t
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
第四节 封头的选择
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。 1、几何方面 单位容积的表面积，半球形封头为最小。
所以
2 1000 9.2 t 109 .7 MPa 2 9.2
t
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。
4 e
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。
Kpc Di mm t 2 0.5 pc
图10-2 椭圆形封头
椭圆形封头
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
p（ T Di e） 2.52 1400 11.2 T 186.8 MPa 2 e 2 11.2 0.85
0.9 σts=0.9×345=310.5 MPa 所以σT< 0.9 σts
L 2 0 .5 D i
（边缘应力作用区域）
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
pc Dc 1 c mm t 2 pc cos
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。
2、封头的壁厚
封头的计算厚度按下式计算
2 0.5 pc
t
Kpc Di
pc Di e t 2 e
t
式中：pc=2MPa，C1=0.8mm， C2=0，φ=0.85；δe— —筒体的有效厚度。
δe= δ n-（ C1+C2）= 10-（0.8+0）=9.2mm
又因为 [σ]t=122MPa
[σ]tφ=122×0.85=103.7MPa
故该容器满足水压试验的强度要求.
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
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
2 pc
直边高度 mm
25
40
50
25
40
50
三、碟形封头
碟形封头的组成
图10-3 碟形封头
以 Ri 为半径的球面； 以 r 为半径的过渡圆弧(即折边)； 高度为 h0 的直边。
形状系数
1 M Байду номын сангаас3 4
Ri r
计算厚度公式
Ri =0.9Di r=0.17D i
Mpc Ri mm t 2 0.5 pc 1.2 pc Ri mm t 2 0.5 pc
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。 pc Di （1）若采用半球封头 t