第二节  内压封头形式的选用与计算

一、封头的形式及选用

压力容器封头的种类较多，一般分为凸形封头、锥形封头和平板形封头。平板形封头在压力容器中一般作人孔及手孔的盲板，在高压容器中采用平板端盖亦较多。锥形封头主要用于容器的下端，便于排放黏度较大或呈悬浮状的物料。凸形封头包括：半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和无折边球面形封头等，这些封头各有其特点且应用较广泛。

1.半球形封头

半球形封头实际上是球形容器的一半，在同样体积下球的表面积最小，在同样的承压条件下应力最小，故可选用较 小的壁厚，节省材料、强度好。半球形封头深度大，整体冲压制造较困难，所以除了压力较高、直径较小的压力容器或特殊需要者外，一般很少采用。较大直径的半球形封头可用数块成型钢板拼焊而成，如图1-4所示，每块钢板在拼焊前应先在水压机上冲压成型，这种用拼焊方法制造的半球形封头较简单。近年来随着化工机械制造业的发展，不仅中低压容器可采用半球形封头，高压容器往往也采用半球形封头代替平板端盖，从而节省了钢材。

2.椭圆形封头

椭圆形封头见表1-7中图，它是由半个椭球和一段高度为h0的直边部分组成。在椭圆形封头中，椭圆曲线是连续变化的光滑曲线，没有形状突变处，因此受力情况比较好，仅次于半球形封头。又因其深度较半球形封头浅，制造较容易，故目前广泛用于中低压容器，且规定标准椭圆形封头的长短轴之比为2，即＝2。设置直边部分的目的是使椭球壳和圆筒的连接边缘与封头和圆筒焊接连接的接头错开，避免了边缘应力与热应力叠加的现象，改善封头与圆筒连接处的受力状况。直边高度h0的大小根据封头的直径和壁厚而定，有25mm、40mm、50mm三种。对于Di≥1200mm的碳钢和低合金钢制的封头因受钢板尺寸的限制，须由几块钢板拼焊后冲压。若Di<1200mm时，可用整块钢板冲压，此时不必考虑焊接接头的影响。封头厚度除满足强度外，还应满足刚度要求，对于标准椭圆形封头，其有效厚度不得小于0.15％Di。

3.碟形封头

碟形封头又称带折边的球面形封头，见表1-7中图，它是由几何形状不同的三部分组成，第一部分是以Ri为半径的部分球面；第二部分是高度为h0的直边圆筒部分；第三部分是连接以上两部分的过渡部分，其曲率半径为ri。由于过渡部分曲率半径有突变，易产生较大的边缘应力，故应力分布不如椭圆形封头那样均匀。的比值越小，边缘应力越大，对封头也就越不利，故规定ri不小于封头壁厚的3倍。在碟形封头中设置直边部分的作用与椭圆形封头相同，直边圆筒部分的高度h0一般为25～50mm。

碟形封头主要优点是加工制造比较容易，只要有球面胎具和折边胎具就可以模压成型。它的缺点是受力情况不如椭圆形封头好。

4.无折边球面形封头

无折边球面形封头由深度较小的球面体与圆筒体直接焊接而成，见表1-7中图。它的结构简单，制造容易，常用于容器中两个独立受压室的中间分隔封头或用于直径较小、压力较低的容器上作端封头。筒体与封头连接处采用相近的厚度，其角焊缝采用全焊透结构。

5.锥形封头

锥形封头主要用于压力较低的设备上。当介质中含有固体颗粒或当介质黏度较大时，容器的底部常采用锥形封头，以便汇集和卸出物料。

锥形封头有两种结构形式，即无折边锥形封头和有折边锥形封头，如表1-7所示。锥形封头的锥顶强度最高，所以锥顶点开孔一般不需要补强。锥形封头一般采用钢板卷制，有折边锥形封头要在卷制前先冲压出折边然后再卷制，也可卷完后再用模具冲出折边。

当锥形封头的锥体半顶角α>60°时其厚度可按平盖计算。

6.平盖

平盖又称平板端盖，见表1-7中图。平盖是各种封头中结构最简单，制造最方便的一种结构形式。常见的几何形状有圆形、椭圆形、长圆形、矩形及正方形等。因其受力状况最差，在相同的工艺条件下，平盖要比其他形式封头厚得多。

二、封头厚度计算

常用各种封头的厚度计算公式见表1-7。

表中各公式中的符号：

p——设计压力,MPa；

［pw］——容器的最大允许工作压力，MPa；

Di——圆筒或封头的内直径，mm；

Do——圆筒或封头的外直径，mm；

Ri——封头球面部分的内半径，mm；

ri——封头折边部分的内半径，mm；

h0——封头直边部分的高度，mm；

hi——封头凸出部分的内侧高度，mm；

δ0——封头强度计算厚度，mm；

δ——封头或筒体的有效厚度，δ＝δ0+C,mm；

C——封头厚度附加量，mm；

α——锥形封头的半锥顶角，(°)；

——焊接接头系数；

δp——平盖计算厚度，mm；

δd——平盖设计厚度，mm；

Dc——平盖计算直径，mm；

K、M、f——结构特征系数。

【例1-2】有一台石油分离的乙烯精馏塔，工艺要求为：塔体内径Di＝600mm，设计压力p=2.16MPa，工作温度t=-3～20℃。材料为16MnR，16MnR在150℃以下许用应力［σ］t=170MPa，试确定该塔的封头形式与尺寸。

解：从工艺要求来看，封头形状无特殊要求。现按几种凸形封头均作计算，然后进行比较确定。

(1)若采用半球形封头，其壁厚按下式确定

式中，p＝2.16MPa；Di＝600mm；＝0.8（单面对接焊局部无损探伤）。封头虽可整体冲压，但考虑到封头与筒体连接处的环焊缝，其轴向拉应力与半球形封头壁内的应力相等，故应计入这一环焊缝的影响。

由此得封头的计算壁厚

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钢板制造。

（2）若采用椭圆形封头，其厚度按下式确定

式中＝1（整体冲压）；K＝1（标准椭圆形封头），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钢板制造。

（3）若采用碟形封头，其壁厚为

式中，Ri＝1.0Di，M＝1.4（标准碟形封头），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

则δ＝δ0＋C＝5.37＋2.2＝7.59mm

采用8mm厚的16MnR钢板制造。

根据以上的计算，将以上三种封头的计算结果列表如下作比较。

由上表可以看出选用椭圆形封头较为合适。