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第四章 内压薄壁封头的设计 本章要求： 一、了解封头的分类； 二、熟练掌握半球型封头、标准椭球型封头、标准碟型封 头的壁厚计算公式及结构设计； 三、掌握有折边锥型封头的壁厚计算； 四、了解平板封头的应力分析、壁厚计算。 封头又称端盖，是化工容器的主要元件之一。根据几 何形状的不同可分为三类：凸型封头、锥型封头、平板封 头。 从力学角度考虑受力最好的是半球型封头、受力最差的是平板封头，从加工角度考虑加工最易的是平板封头， 加工最易难的是半球型封头。凸型封头和锥型封头都是回 转壳体，利用薄膜应力理论可以确定最大薄膜应力，但设 计封头时仅考虑薄膜应力是不够的。 4.1 凸型封头的设计 一、半球形封头 半球形封头的壁厚计算公式为： 当半球形封头的壁厚与其 连接的筒体壁厚不同时，应取 封头的壁厚与连接的筒体壁厚一致。 二、椭球型封头 椭球型封头的结构： 椭球壳和直边组成。 直边的作用是使焊缝避开边缘应力区。 椭球壳承受内压p作用后，当1 ＜ ＜ 时，最大应力在极点上， 当 ＜ 时，最大应力在极点和赤道上， 但在赤道上的σθ由原来的拉应力变成压应力。 当 ＞ 2时，最大应力在赤道上， 当1＜ ≤2 时，椭球型封头的强度条件： 以a =D/2，令a / b= m ，则有： 以 D= D i +S 代入上式得： 用So代替S，并考虑C， 则有： 直边的高度 H = 25mm。 对于标准椭球型封头m = 2 ， 对于m 2 椭球型封头 ， K 的大小见表。 三、碟型封头 规定:在任何情况下球面的半径不大于与其连接筒体 的内径、过渡圆弧的半径不小于连接筒体的内径10%且大 于3倍的封头壁厚。 碟型封头在内压作用下产生的最大应力为： 强度条件为： 以R=R i + S/2、P=Pc 代入可得： 以So代替S并考虑C，则： 因为 ， 所以 M---形状系数，由R i / r 的大小查表确定 对于标准碟型封头：R =0.9Di、r =0.17 D i、M=1.325 四、无折边球型封头（简要介绍） 4.2 锥型封头的设计 一、无折边锥型封头 无折边锥型封头的最大 薄膜应力为： 若不考虑边缘应力，其强度条件为： 即： 以 D=D i + S 代入可得： S —称为计算壁厚(mm)，考虑钢板的腐蚀裕度C ， 则有： 适用条件是α≤30°，设计压力小于0.3 M Pa， 当α30°或设计压力较大时，必须采用局部加厚或采用有折边的锥型封头。无折边锥型封头的设计见钢制石油化工压力容器设计之规定。 二、带折边的锥型封头 封头由三部分组成： 直边、过渡圆弧、锥壳。 （1）过渡圆弧的壁厚 K—应力增强系数，由α、r/ D i查表确定，表中括号中的参数为标准封头的 K 值。 二、锥壳的壁厚 f —形状转换系数，由α、r/D i查表确定，表中括号中的 参数为标准封头的 f 值。 4.3 平板封头的设计 平板封头的分类（几何形状）：圆形、椭圆形、矩形、三角形等。化工容器及设备中应用最广泛的是圆形平板封头。 一、圆形平板的应力分析 圆形平板在压力p 作用下将产生两向弯曲变形， 即径向弯曲变形和周向弯曲变形；产生的应力为径向弯曲正应力和周向弯曲正应力。应力分布见图。 二、周边固定的圆形平板 由弹性力学知识可知，周边固定的圆形平板在压力p作用下产生的最大应力在边缘处，最大应力为径向弯曲 正应力。对于碳钢制造的圆形平板，其最大应力的大小为： 其中: D-圆板的直径(mm); S-圆板的厚度(mm) 三、周边简支的圆形平板 由弹性力学知识可知，周边固定的圆形平板在压力p作用下产生的最大应力在中心处，最大应力为径向弯曲正应力和周向弯曲正应力。对于碳钢制造的圆形平板，其最大应力的大小为： 上述两种约束条件下产生的弯曲正应力可用下列通式表示： —板边结构特征系数， 取值范围：0.188～0.31 四、圆形平板的强度计算 考虑壁厚附加量C。则： Dc —计算直径，由平板封头与筒体的连接方式确定。 * * D S 圆形平板的力学模型