過程設(shè)備設(shè)計第四章(4.3.3)

4.3常規(guī)設(shè)計4.3.3封頭設(shè)計第四章壓力容器設(shè)計CHAPTERⅣDesignofPressureVessel1過程設(shè)備設(shè)計4.3常規(guī)設(shè)計

4.1概述

4.2設(shè)計準則

4.3常規(guī)設(shè)計

4.4分析設(shè)計

4.5疲勞分析

4.6壓力容器設(shè)計技術(shù)進展

4.3.3封頭設(shè)計

4.3.4密封裝置設(shè)計4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計4.3.6支座和檢查孔4.3.7安全泄放裝置4.3.2圓筒設(shè)計4.3.1概述4.3.8焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計4.3.9壓力試驗2過程設(shè)備設(shè)計4.3.3封頭設(shè)計封頭種類凸形封頭錐殼變徑段平蓋緊縮口半球形封頭橢圓形封頭碟形封頭球冠形封頭3過程設(shè)備設(shè)計a.半球形封頭b.橢圓形封頭c.碟形封頭d.球冠形封頭圖4-15常見容器封頭的形式4內(nèi)壓封頭強度計算受力：薄膜應(yīng)力＋不連續(xù)應(yīng)力計算：內(nèi)壓薄膜應(yīng)力＋應(yīng)力增強系數(shù)封頭設(shè)計：優(yōu)先選用封頭標準中推薦的型式與參數(shù)，根據(jù)受壓情況進行強度或剛度計算，確定合適的厚度。54.3.3.1凸形封頭過程設(shè)備設(shè)計一、半球形封頭半球形封頭為半個球殼，如圖4-15（a）所示。優(yōu)點:1.受內(nèi)壓的半球形封頭薄膜應(yīng)力為相同直徑圓筒體的一半，是最理想的結(jié)構(gòu)形式。缺點:深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量也較大。應(yīng)用：高壓容器。半球形封頭厚度計算公式：（4-40）式中Di—球殼的內(nèi)直徑，mm。適用范圍：pc≤0.6[σ]tφ，相當于K≤1.33。（為滿足彈性要求）6過程設(shè)備設(shè)計2.受外壓的半球形封頭鋼制半球形封頭彈性失穩(wěn)的臨界壓力為：工程上：圖算法。取穩(wěn)定性安全系數(shù)m=14.52，得球殼許用外壓力：（4-41）令根據(jù)

得7過程設(shè)備設(shè)計將[p]代入式（4-41）得（4-42）由B和[p]的關(guān)系式得半球形封頭的許用外壓力為：（4-43）8過程設(shè)備設(shè)計圖算步驟：不用幾何算圖a.假定名義厚度δn

，令δe=δn-C，用式（4-42）計算出A。b.根據(jù)所用材料選用厚度計算圖，由A查取B，再按式（4-43）計算許用外壓力[p]。如所得A值落在設(shè)計溫度下材料線的左方，則直接用式（4-41）計算[p]。c.若[p]≥pc且較接近，則該封頭厚度合理，否則重新假設(shè)δn，重復(fù)上述步驟，直到滿足要求為止。9過程設(shè)備設(shè)計二、橢圓形封頭4.3.3.1凸形封頭4.3.3.1凸形封頭10二、橢圓形封頭過程設(shè)備設(shè)計由半個橢球面和短圓筒組成，如圖4-15（b）所示。直邊段作用：避免封頭和筒體的連接焊縫處出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。應(yīng)用：中、低壓容器。(1)受內(nèi)壓（凹面受壓）的橢圓形封頭受力：薄膜應(yīng)力＋不連續(xù)應(yīng)力優(yōu)點：曲率變化平緩，應(yīng)力分布較均勻。11過程設(shè)備設(shè)計（4-44）K——應(yīng)力增強系數(shù)或橢圓封頭的形狀系數(shù)，即：

相當于：

在一定條件下，橢圓形封頭中的最大應(yīng)力和圓筒周向薄膜應(yīng)力的比值K，與橢圓形封頭長軸與短軸之比的關(guān)系有關(guān)，見圖4-16中虛線。12過程設(shè)備設(shè)計用半徑為Di的半球形封頭厚度乘以K得（4-45）橢圓形封頭厚度計算式：且:13過程設(shè)備設(shè)計當Di/2hi=2，標準橢圓形封頭，K=1，厚度計算式為（4-46）橢圓形封頭最大允許工作壓力：（4-47）采用限制橢圓形封頭最小厚度，GB150規(guī)定標準橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%，非標準橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑0.30%。周向失穩(wěn)：且:14過程設(shè)備設(shè)計(2)受外壓橢圓形封頭Ro由橢圓形封頭的當量球殼外半徑Ro=K1Do代替，K1值是橢圓長短軸比值Do/（2ho）（ho=hi+δn）決定的系數(shù)，由表4-5（遇中間值用內(nèi)插法求得）查得。相同：不同：外壓穩(wěn)定性計算公式和圖算法步驟同受外壓的半球形封頭；2.62.42.22.01.81.61.41.21.0

K11.181.080.990.900.810.730.650.570.50表4-5系數(shù)K1Do/（2ho）15過程設(shè)備設(shè)計三、碟形封頭結(jié)構(gòu):帶折邊球面封頭，由半徑為Ri的球面體、半徑為r的過渡環(huán)殼和短圓筒等三部分組成，見圖4-15（c）。優(yōu)點:過渡環(huán)殼降低了封頭深度，方便成型，且壓制碟形封頭的鋼模加工簡單，應(yīng)用廣泛。缺點:不連續(xù)曲面，存在較大邊緣彎曲應(yīng)力。邊緣彎曲應(yīng)力與薄膜應(yīng)力疊加，使該部位的應(yīng)力遠遠高于其它部位，故受力狀況不佳。16過程設(shè)備設(shè)計(1)受內(nèi)壓(凹面受壓)碟形封頭

引入碟形封頭應(yīng)力增強系數(shù)M,是以球面部分最大總應(yīng)力為基礎(chǔ)的近似修正系數(shù)，見(4-48)式即:碟形封頭過渡區(qū)總應(yīng)力為球面部分應(yīng)力的M倍碟形封頭厚度計算式：用半球形封頭厚度乘以M得（4-49）且:(一般碟形封頭)(標準碟形封頭)17過程設(shè)備設(shè)計4.3.3.1凸形封頭式（4-48）圖4-17碟形封頭的應(yīng)力增強系數(shù)4.3.3.1凸形封頭18過程設(shè)備設(shè)計封頭:r≥0.01Di，r≥3δ，且Ri≤Di。（4-50）規(guī)定:承受內(nèi)壓碟形封頭的最大允許工作壓力：標準碟形封頭:Ri=0.9Di，r=0.17Di。周向失穩(wěn):同橢圓形封頭，GB150規(guī)定，標準碟形封頭，其有效厚度應(yīng)不小于內(nèi)直徑的0.15%，其它碟形封頭的有效厚度應(yīng)不小于0.30%。19過程設(shè)備設(shè)計(2)受外壓(凸面受壓)碟形封頭碟形封頭的過渡區(qū)承受拉應(yīng)力，球面部分是壓應(yīng)力，有發(fā)生失穩(wěn)的潛在危險，此為防失穩(wěn)，厚度計算仍可用半球形封頭外壓計算公式和圖算法步驟，只是Ro用球面部分外半徑代替。結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，常用作容器中兩獨立受壓室中間封頭，端蓋。無轉(zhuǎn)角過渡，存在大的不連續(xù)應(yīng)力，其應(yīng)力分布不甚合理。四、球冠形封頭碟形封頭當r=0時，球面與筒體直接連接，如圖4-15（d）所示優(yōu)點：缺點：20過程設(shè)備設(shè)計(1)受內(nèi)壓球冠形封頭

(凹面受壓)球冠形封頭厚度計算式：(2)受外壓球冠形封頭(凸面受壓)21過程設(shè)備設(shè)計4.3.3.2錐殼特點：結(jié)構(gòu)不連續(xù)，應(yīng)力分布不理想應(yīng)用：排放固體顆粒和懸浮或粘稠液體;不同直徑圓筒體的中間過渡段，中、低壓容器。軸對稱錐殼無折邊錐殼折邊錐殼22過程設(shè)備設(shè)計（a）無折邊錐殼；（b）大端折邊錐殼；（c）折邊錐殼圖4-18錐殼結(jié)構(gòu)形式錐殼大端:半頂角α≤30°，無折邊結(jié)構(gòu)

α＞30°，帶過渡段的折邊結(jié)構(gòu)，或按應(yīng)力分析方法設(shè)計。轉(zhuǎn)角半徑r：不小于Di的10%，且不小于該過渡段厚度的3倍。結(jié)構(gòu)：23過程設(shè)備設(shè)計錐殼小端：半頂角α≤45°，無折邊結(jié)構(gòu)；

α＞45°，帶過渡段的折邊結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)角半徑rs：不小于封頭小端內(nèi)徑Dis的5%，且不小于該過渡段厚度的3倍。半頂角α＞60°:厚度按平蓋計算，或應(yīng)力分析方法。強度：受力：薄膜應(yīng)力＋邊緣應(yīng)力。設(shè)計：分別計算錐殼厚度、錐殼大端和小端加強段厚度。若考慮只有一種厚度時，取最大值。24過程設(shè)備設(shè)計由無力矩理論，最大薄膜應(yīng)力為錐殼大端的周向應(yīng)力σθ，即一、受內(nèi)壓無折邊錐殼1.錐殼厚度由第一強度理論和彈性失效設(shè)計準則，并取D=Di+δccosα，厚度計算式：（4-51）式中:Dc—錐殼計算內(nèi)直徑，mm；δc—錐殼計算厚度，mm；α—錐殼半頂角，（°）。注：當錐殼由同一半頂角的幾個不同厚度的錐殼段組成時，DC為各錐殼段大端內(nèi)直徑。25過程設(shè)備設(shè)計邊緣應(yīng)力具有自限性，最大應(yīng)力限制在3[σ]t內(nèi)。按此條件求得的pc/（[σ]tφ）及α之間關(guān)系見圖4-19。2.

錐殼大端

錐殼大端與筒體連接處，曲率突變；兩殼體經(jīng)向內(nèi)力不能完全平衡，產(chǎn)生橫向推力；邊緣應(yīng)力無需加強：坐標點（pc/（[σ]tφ）、α）位于圖中曲線上方，厚度仍按式（4-51）需要加強：坐標點（pc/（[σ]tφ）、α）位于圖中曲線下方，厚度計算按式（4-52）：26過程設(shè)備設(shè)計圖4-19確定錐殼大端連接處的加強圖27過程設(shè)備設(shè)計（4-52）式中Di—錐殼大端內(nèi)直徑，mm；Q—應(yīng)力增值系數(shù)，由圖4-20查??；

δr—錐殼及其相鄰圓筒體的加強段的計算厚度，mm。錐殼加強段的長度L1：筒體加強段的長度L：注：a.錐殼加強段與筒體加強段應(yīng)具有相同的厚度；

b.加強段的厚度不得小于相連接的錐殼厚度。28過程設(shè)備設(shè)計圖4-20錐殼大端連接處的Q值29過程設(shè)備設(shè)計3.錐殼小端：與大端相類似，參見文獻[2]。⑴按確定錐殼小端連接處的加強圖是否需加強。⑵無需加強時,小端厚度仍按式（4-51）式計算。⑶需加強時式中Dis—錐殼小端內(nèi)直徑，mm；Q—應(yīng)力增值系數(shù)，由小端相應(yīng)圖查取；

δr—錐殼及其相鄰圓筒體的加強段的計算厚度，mm。

（4-52）’30過程設(shè)備設(shè)計注：a.錐殼加強段與筒體加強段應(yīng)具有相同的厚度；

b.加強段的厚度不得小于相連接的錐殼厚度。錐殼加強段的長度L1：筒體加強段的長度L：∴若考慮只由一種厚度組成時31過程設(shè)備設(shè)計（1）錐殼厚度：仍按式（4-51）計算。（2）錐殼大端：厚度按式（4-53）、（4-54）計算，并取較大值：二、受內(nèi)壓折邊錐殼錐殼大端過渡段厚度：（4-53）式中:K—系數(shù)，查表4-6（遇中間值時用內(nèi)插法）與過渡段相接處錐殼厚度：（4-54）式中:f—系數(shù)，查表4-7（遇中間值時用內(nèi)插法）r—折邊錐殼大端過渡段轉(zhuǎn)角半徑，mm。32過程設(shè)備設(shè)計r/Di0.100.150.200.300.400.5010°0.66440.61110.57890.54030.51680.500020°0.69560.63570.59860.55220.52230.500030°0.75440.68190.63570.57490.53290.500035°0.79800.71610.66290.59140.54070.500040°0.85470.76040.69810.61270.55060.500045°0.92530.81810.74400.64020.56350.500050°1.02700.89440.80450.67650.58040.500055°1.16080.99800.88590.72490.60280.500060°1.35001.14331.00000.79230.63370.5000表4-6系數(shù)K值33

r/Di0.100.150.200.300.400.5010°0.50620.50550.50470.50320.50170.500020°0.52570.52250.51930.51280.50640.500030°0.56190.55420.54650.53100.51550.500035°0.58830.55730.56630.54420.52210.500040°0.62220.60690.59160.56110.53050.500045°0.66570.64500.62430.58280.54140.500050°0.72230.69450.66680.61120.55560.500055°0.79730.76020.72300.64860.57430.500060°0.90000.85000.80000.70000.60000.5000表4-7系數(shù)f值34過程設(shè)備設(shè)計小端過渡段厚度需另行計算，見文獻[2]。（3）錐殼小端：小端厚度按無折邊錐殼小端厚度的計算方法計算；小端無折邊：小端有折邊：∴若考慮只由一種厚度組成時35過程設(shè)備設(shè)計三、受外壓錐殼

α≤60°：按等效圓筒體計算；α＞60°：按平蓋計算。a.假設(shè)錐殼名義厚度δne→有效厚度δec=（δnc-C）cosαb.按外壓圓筒體的圖算法進行外壓校核計算→以Le/DL

代替L/Do，DL/δec代替Do/δe。（1）外壓錐殼的計算錐殼大端或小端和筒體連接處存在壓縮強度和周向穩(wěn)定性問題，在必要時應(yīng)設(shè)置加強結(jié)構(gòu)。（2）錐殼與筒體連接處的外壓加強設(shè)計Le：錐殼當量長度，有相應(yīng)計算公式；DL：所考慮的錐殼段的大端外直徑36過程設(shè)備設(shè)計4.3.3.3平蓋理論分析：以圓平板應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，分為周邊固支或簡支；實際上：介于固支和簡支之間；工程計算：采用圓平板理論為基礎(chǔ)的經(jīng)驗公式，通過系數(shù)K來體現(xiàn)平蓋周邊的支承情況，K值越小平蓋周邊越接近固支；反之就越接近于簡支。這些平蓋厚度可按下述方法計算：幾何形狀：圓形、橢圓形、長圓形、矩形及正方形等。37過程設(shè)備設(shè)計一、圓形平蓋厚度∴平蓋的最大應(yīng)力（4