第二節  內壓封頭形式的選用與計算

一、封頭的形式及選用

壓力容器封頭的種類較多，一般分為凸形封頭、錐形封頭和平板形封頭。平板形封頭在壓力容器中一般作人孔及手孔的盲板，在高壓容器中采用平板端蓋亦較多。錐形封頭主要用于容器的下端，便于排放黏度較大或呈懸浮狀的物料。凸形封頭包括：半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭和無折邊球面形封頭等，這些封頭各有其特點且應用較廣泛。

1.半球形封頭

半球形封頭實際上是球形容器的一半，在同樣體積下球的表面積最小，在同樣的承壓條件下應力最小，故可選用較 小的壁厚，節省材料、強度好。半球形封頭深度大，整體沖壓制造較困難，所以除了壓力較高、直徑較小的壓力容器或特殊需要者外，一般很少采用。較大直徑的半球形封頭可用數塊成型鋼板拼焊而成，如圖1-4所示，每塊鋼板在拼焊前應先在水壓機上沖壓成型，這種用拼焊方法制造的半球形封頭較簡單。近年來隨著化工機械制造業的發展，不僅中低壓容器可采用半球形封頭，高壓容器往往也采用半球形封頭代替平板端蓋，從而節省了鋼材。

2.橢圓形封頭

橢圓形封頭見表1-7中圖，它是由半個橢球和一段高度為h0的直邊部分組成。在橢圓形封頭中，橢圓曲線是連續變化的光滑曲線，沒有形狀突變處，因此受力情況比較好，僅次于半球形封頭。又因其深度較半球形封頭淺，制造較容易，故目前廣泛用于中低壓容器，且規定標準橢圓形封頭的長短軸之比為2，即＝2。設置直邊部分的目的是使橢球殼和圓筒的連接邊緣與封頭和圓筒焊接連接的接頭錯開，避免了邊緣應力與熱應力疊加的現象，改善封頭與圓筒連接處的受力狀況。直邊高度h0的大小根據封頭的直徑和壁厚而定，有25mm、40mm、50mm三種。對于Di≥1200mm的碳鋼和低合金鋼制的封頭因受鋼板尺寸的限制，須由幾塊鋼板拼焊后沖壓。若Di<1200mm時，可用整塊鋼板沖壓，此時不必考慮焊接接頭的影響。封頭厚度除滿足強度外，還應滿足剛度要求，對于標準橢圓形封頭，其有效厚度不得小于0.15％Di。

3.碟形封頭

碟形封頭又稱帶折邊的球面形封頭，見表1-7中圖，它是由幾何形狀不同的三部分組成，第一部分是以Ri為半徑的部分球面；第二部分是高度為h0的直邊圓筒部分；第三部分是連接以上兩部分的過渡部分，其曲率半徑為ri。由于過渡部分曲率半徑有突變，易產生較大的邊緣應力，故應力分布不如橢圓形封頭那樣均勻。的比值越小，邊緣應力越大，對封頭也就越不利，故規定ri不小于封頭壁厚的3倍。在碟形封頭中設置直邊部分的作用與橢圓形封頭相同，直邊圓筒部分的高度h0一般為25～50mm。

碟形封頭主要優點是加工制造比較容易，只要有球面胎具和折邊胎具就可以模壓成型。它的缺點是受力情況不如橢圓形封頭好。

4.無折邊球面形封頭

無折邊球面形封頭由深度較小的球面體與圓筒體直接焊接而成，見表1-7中圖。它的結構簡單，制造容易，常用于容器中兩個獨立受壓室的中間分隔封頭或用于直徑較小、壓力較低的容器上作端封頭。筒體與封頭連接處采用相近的厚度，其角焊縫采用全焊透結構。

5.錐形封頭

錐形封頭主要用于壓力較低的設備上。當介質中含有固體顆?；虍斀橘|黏度較大時，容器的底部常采用錐形封頭，以便匯集和卸出物料。

錐形封頭有兩種結構形式，即無折邊錐形封頭和有折邊錐形封頭，如表1-7所示。錐形封頭的錐頂強度最高，所以錐頂點開孔一般不需要補強。錐形封頭一般采用鋼板卷制，有折邊錐形封頭要在卷制前先沖壓出折邊然后再卷制，也可卷完后再用模具沖出折邊。

當錐形封頭的錐體半頂角α>60°時其厚度可按平蓋計算。

6.平蓋

平蓋又稱平板端蓋，見表1-7中圖。平蓋是各種封頭中結構最簡單，制造最方便的一種結構形式。常見的幾何形狀有圓形、橢圓形、長圓形、矩形及正方形等。因其受力狀況最差，在相同的工藝條件下，平蓋要比其他形式封頭厚得多。

二、封頭厚度計算

常用各種封頭的厚度計算公式見表1-7。

表中各公式中的符號：

p——設計壓力,MPa；

［pw］——容器的最大允許工作壓力，MPa；

Di——圓筒或封頭的內直徑，mm；

Do——圓筒或封頭的外直徑，mm；

Ri——封頭球面部分的內半徑，mm；

ri——封頭折邊部分的內半徑，mm；

h0——封頭直邊部分的高度，mm；

hi——封頭凸出部分的內側高度，mm；

δ0——封頭強度計算厚度，mm；

δ——封頭或筒體的有效厚度，δ＝δ0+C,mm；

C——封頭厚度附加量，mm；

α——錐形封頭的半錐頂角，(°)；

——焊接接頭系數；

δp——平蓋計算厚度，mm；

δd——平蓋設計厚度，mm；

Dc——平蓋計算直徑，mm；

K、M、f——結構特征系數。

【例1-2】有一臺石油分離的乙烯精餾塔，工藝要求為：塔體內徑Di＝600mm，設計壓力p=2.16MPa，工作溫度t=-3～20℃。材料為16MnR，16MnR在150℃以下許用應力［σ］t=170MPa，試確定該塔的封頭形式與尺寸。

解：從工藝要求來看，封頭形狀無特殊要求。現按幾種凸形封頭均作計算，然后進行比較確定。

(1)若采用半球形封頭，其壁厚按下式確定

式中，p＝2.16MPa；Di＝600mm；＝0.8（單面對接焊局部無損探傷）。封頭雖可整體沖壓，但考慮到封頭與筒體連接處的環焊縫，其軸向拉應力與半球形封頭壁內的應力相等，故應計入這一環焊縫的影響。

由此得封頭的計算壁厚

由δ0＝2.41mm，查表1-3得C1＝0.2mm。取C2＝1mm。

查表1-6，C3＝0.18（δ0+C2）＝0.18（2.41+1）＝0.61mm。

所以C＝C1+C2+C3=0.2+1+0.61＝1.81mm

故δ＝δ0＋C＝2.41＋1.81＝4.22mm

采用5mm厚的16MnR鋼板制造。

（2）若采用橢圓形封頭，其厚度按下式確定

式中＝1（整體沖壓）；K＝1（標準橢圓形封頭），p、Di、［σ］t同前。

所以

由δ0＝3.83mm，查表1-3得C1＝0.3mm。取C2＝1mm。

查表1-6，C3＝0.11（δ0+C2）＝0.11（3.83+1）＝0.53mm。

故C＝C1+C2+C3=0.3+1+0.53＝1.83mm

于是δ＝δ0＋C＝3.83＋1.83＝5.66mm

采用6mm厚的16MnR鋼板制造。

（3）若采用碟形封頭，其壁厚為

式中，Ri＝1.0Di，M＝1.4（標準碟形封頭），p、Di、［σ］t、同上。

所以

由δ0＝5.37mm，查表1-4得C1＝0.5mm。取C2＝1mm。

查表1-6，C3＝0.11（δ0+C2）＝0.11（5.37+1）＝0.7mm。

故C＝C1+C2+C3=0.5+1+0.7＝2.2mm

則δ＝δ0＋C＝5.37＋2.2＝7.59mm

采用8mm厚的16MnR鋼板制造。

根據以上的計算，將以上三種封頭的計算結果列表如下作比較。

由上表可以看出選用橢圓形封頭較為合適。