关于几种形式封头特点的比较

[摘要]压力容器封头的选型和制造一定要兼顾成本和制作的难易程度，一般优选椭圆型封头和蝶形封头。采用标准椭圆形封头，其封头壁厚近似等于筒体壁厚，这样筒体和封头就可采用同样厚度的钢板来制造。这不仅可以给选材带来方便，也便于筒体和封头的焊接。蝶形封头的主要优点是便于手工加工成型，且可以安装现场制造。它的主要缺点即受力情况不如椭圆形封头好。

[关键词]压力容器；半球形封头；椭圆形封头；蝶形封头；平盖封头；特点比较

老厂空压站空压机出口有一压缩空气储罐，筒体内径Di=1000

mm，高 H=2000 mm，筒体计算壁厚δ=11.4，实际壁厚是4 mm，操作压力是2.8

MPa，安全阀开启压力3MPa，常温操作。投产至今，因封头腐蚀严重，所以要更换封头，材料与筒体相同，均为20

R，

=133

MPa。本论文特意根据理论计算和实际制造生产两个方面，比较选取半球形、椭圆形、蝶形封头和平盖封头的厚度及特点，目的是为了指导实际技术工作里封头如何选型。

1 理论计算选用各种类型封头的壁厚及重量

1.1 半球形封头

p=3

MPa；

=133

MPa；C=1.8 mm；D i =1000 mm； Φ

=1，故半球形封头计算壁厚 ，

圆整后取名义厚度为

8 mm，取直边高度为 40 mm，则半球形封头质量为107.5 kg。

1.2 椭圆形封头

采用标准椭圆形封头

，则

K=1，整体冲压制造， Φ =1，得

圆整后取名义厚度为

14 mm，直边高度为 40 mm；则封头质量为137 kg。

1.3 蝶形封头

取 Ri=0.9Di ，

Ri/r=3.0 ，查系数表得 M=10.18 ，则蝶形封头壁厚

圆整后取名义厚度为

14 mm ，直边高度为40 mm ；则封头质量为135.2 kg 。

1.4 平盖

由压容平盖系数

K 选择表，选序号为第 3 种，平盖与圆筒角焊或其他焊接的结构形式，K=0.44 m 。筒体Di=1000 mm

，筒体计算壁厚δ=11.4 ， 实际壁厚是14 mm ，

，则

。

根据式，平盖厚度

K=0.44

m=0.44×0.93=0.409

故

圆整后取

=100 mm

，则平盖质量为 648 kg 。

这四种封头综合比较如下：

2 实际生产中各种类型封头的特点

2.1 半球形封头

半球形封头的设计公式和球形容器一样，即

式中： D i —

球壳的内径， mm 。

其它符号同前。

半球形封头与球形容器具有相同的优点，即在同样的容积下其表面积最小，在相同的直径和压力下，它所需的壁厚最薄，因此它可节省钢材；但由于它的深度大，整体冲压成型困难，特别是在没有大型水压机的情况下，制造更为困难。对大直径的半球形封头，可用数块钢板成型后拼焊而成。它们一般是先在水压机上用模具把每瓣冲压成型后再在现场焊接。对一般中小直径的容器很少采用半球形封头。

2.2 椭圆形封头

椭圆形封头由半个椭球和具有一定高度的圆筒壳体组成 (

或称直边部分 )

，其目的是为了避开在椭球边缘与圆筒壳体的连接处置设焊缝，使焊缝转移至圆筒区域，以免出现边缘应力与热应力叠加的情况。

当

=2

时，形状系数 K=1

，则此式和圆筒体的壁厚计算公式几乎相同，这就说明采用标准椭圆形封头，其封头壁厚近似等于筒体壁厚，这样筒体和封头就可采用同样厚度的钢板来制造。这不仅可以给选材带来方便，也便于筒体和封头的焊接。所以通常选用标准椭圆形封头作为圆筒体的封头。

＞2时，

K>1 ，封头深度较小较扁平，计算出椭圆封头的壁厚较标准封头厚，同时受力情况不好。

＜2时，

K<1 ，计算出的壁厚可以比标准椭圆封头薄，但封头深度大，冲压成型困难。当

=1，封头就成了半球形，这时壁最薄。容器设计时筒体和封头都应按公称直径选取，封头应首先选用标准椭圆封头，这样便于加工制造，我国一机部已将标准椭圆封头定出标准

(JB1154-73椭圆形封头型式和尺寸 )

，各制造厂家已标准化定型生产，这样可以减少相应的模具种类和数量，否则由于生产模具种类和数量太多，会增加制造成本，造成不必要的浪费。

2.3 碟形封头

碟形封头又称带折边的球形封头，它由三部分组成，第一部分是以

Ri 为半径的球面部分，第二部分是高度为h 的直边部分 ( 圆筒部分 ) ，第三部分是连接这两部分的过渡区，其第一曲率半径为r

。将蝶形封头的直边部分和过渡区去掉，只留下球面部分，并直接与圆筒连接就成为无折边球形封头，这种封头在连接处造成突然转折，将会产生很大的横推力

( 见锥形封头部分 ) 和边缘力，因此很少采用碟形封头，可使曲率变化适当缓和一些，以减少该处的边缘应力。

虽然如此，碟形封头的球形部分和过渡区的圆弧部分以及过渡区圆弧部分与直边部分，仍然是不同的曲面相连接，它们连接处曲率半径依然有突变，故蝶形封头在承受压力内压作用时，在连接处将产生边缘应力。边缘应力的大小与球面半径

Ri 和过渡区的半径 r 的比值 r/Ri 有关，r/Ri

越小，曲率半径突变越厉害，折边处的边缘应力也就越大，对封头也就越不利。蝶形封头的主要优点是便于手工加工成型，只要有球面胎具和折边胎具就可以用人工锻打的方法成型，且可以安装现场制造。它的主要缺点如前所述，即受力情况不如椭圆形封头好；另外因手工锻打加工时间长，加热时氧化皮脱落严重，并且经多次锻打之后，加工减薄量比较大。因此目前多数工厂已经不采用蝶形封头，而被椭圆形封头所替代，一般仅在安装现场制造大型常压或低压圆筒形贮罐时，采用蝶形封头，我国早有蝶形风头标准(JB576-64)

，供加工制造参考。

2.4 平盖

平盖也是化工容器或设备常采用的一种封头，它主要用于常压和低压的设备，或者高压小直径的设备上。它的特点是结构简单，制造方便。所以也常常用于可拆的人孔盖、换热器端盖等处。但是平盖和凸形封头比较，它主要承受弯曲应力的作用。平盖的设计公式是根据承受均布载荷的平板理论推导出来的，板中产生两向弯曲应力

——

径向弯曲应力和环向弯曲应力，其最大值可能在板的中心，也可能在板的边缘，要视周边的支承方式而定。实际上平盖的连接既不是单纯的铰支连接，也不是单纯的刚性固定，而是介于它们之间。

平盖按连接方式分为两种，一种是可拆卸的平盖，另一种是不可拆卸的平盖。前者用螺栓固定，靠压紧垫片密封，后者则采用整体锻造或用平板焊接。整体锻造的平盖与筒体的连接处带有一段半径为

r

的过渡圆弧，这种结构减小了平盖边缘与筒体连接处的边缘应力，因此它的最大弯曲应力不是在边缘而是在平盖的中心。对平盖与圆筒连接没有过渡圆弧的连接结构形式，其最大弯曲应力可能出现在筒体与平盖的连接部位，也可能出现在平盖的中心。

2.5 锥形封头

锥形封头在同样条件下与半球形、椭圆形和碟形封头比较，其受力情况比较差，其中一个主要原因是因为锥形封头与圆筒连接处的转折较为厉害，故曲率半径发生突变而产生边缘力的缘故。在化工生产中，对于粘度大或者悬浮性的液体物料，采用锥形封头有利于排料，因此在筒体的下端常常采用锥形封头。

另外对于两个不同直径的圆筒体，也常用锥形壳体连接，即锥体的大端与直径较大的圆筒形壳体连接，小端则与直径较小的圆筒体连接，构成变径段。

锥形封头有两种结构形式，一种是无折边的锥形封头，它一般应用在锥体半角

α ≤ 30? 的场合， 另一种是一端或两端带折边的过渡段组成。一般适用于锥体半角 α>30?

的场合。这种封头由三部分组成，即锥体部分，半径为 r 的圆弧过渡部分和高度为h

的圆筒部分。过渡部分可以减小锥体与圆筒体连接处的边缘力，圆筒部分是为了将焊缝避开过渡区而转移到圆筒与圆筒的连接部位。圆筒部分的高度一般取

h=25~40 mm 。

3 结语

综上所述，经过各方面的比较，我优选椭圆型封头和蝶形封头，但因为蝶形封头受力情况较差，最终决定选用椭圆型封头，外协封头厂制作。

本文作者：刘江涌(陕煤化集团陕化公司项目建设公司)

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