關於幾種形式封頭特點的比較
[摘要]壓力容器封頭的選型和製造一定要兼顧成本和製作的難易程度，一般優選橢圓型封頭和蝶形封頭。採用標準橢圓形封頭，其封頭壁厚近似等於筒體壁厚，這樣筒體和封頭就可採用同樣厚度的鋼板來製造。這不僅可以給選材帶來方便，也便於筒體和封頭的焊接。蝶形封頭的主要優點是便於手工加工成型，且可以安裝現場製造。它的主要缺點即受力情況不如橢圓形封頭好。
老廠空壓站空壓機出口有一壓縮空氣儲罐，筒體內徑di=1000
mm，高 h=2000 mm，筒體計算壁厚δ=11.4，實際壁厚是4 mm，操作壓力是2.8
mpa，安全閥開啟壓力3mpa，常溫操作。投產至今，因封頭腐蝕嚴重，所以要更換封頭，材料與筒體相同，均為20
r，=133
mpa。本**特意根據理論計算和實際製造生產兩個方面，比較選取半球形、橢圓形、蝶形封頭和平蓋封頭的厚度及特點，目的是為了指導實際技術工作裡封頭如何選型。
1 理論計算選用各種型別封頭的壁厚及重量
1.1 半球形封頭
p=3mpa；
=133
mpa；c=1.8 mm；d i =1000 mm； φ
=1，故半球形封頭計算壁厚，
圓整後取名義厚度為
8 mm，取直邊高度為 40 mm，則半球形封頭質量為107.5 kg。
1.2 橢圓形封頭
採用標準橢圓形封頭
，則k=1，整體沖壓製造， φ =1，得
圓整後取名義厚度為
14 mm，直邊高度為 40 mm；則封頭質量為137 kg。
1.3 蝶形封頭
取 ri=0.9di ，
ri/r=3.0 ，查係數表得 m=10.18 ，則蝶形封頭壁厚
圓整後取名義厚度為
14 mm ，直邊高度為40 mm ；則封頭質量為135.2 kg 。
1.4 平蓋
由壓容平蓋係數
k 選擇表，選序號為第 3 種，平蓋與圓筒角焊或其他焊接的結構形式，k=0.44 m 。筒體di=1000 mm
，筒體計算壁厚δ=11.4 ， 實際壁厚是14 mm ，，則。
根據式，平蓋厚度
k=0.44
m=0.44×0.93=0.409
故圓整後取
=100 mm
，則平蓋質量為 648 kg 。
這四種封頭綜合比較如下：
2 實際生產中各種型別封頭的特點
2.1 半球形封頭
半球形封頭的設計公式和球形容器一樣，即
式中： d i —
球殼的內徑， mm 。
其它符號同前。
半球形封頭與球形容器具有相同的優點，即在同樣的容積下其表面積最小，在相同的直徑和壓力下，它所需的壁厚最薄，因此它可節省鋼材；但由於它的深度大，整體沖壓成型困難，特別是在沒有大型水壓機的情況下，製造更為困難。對大直徑的半球形封頭，可用數塊鋼板成型後拼焊而成。它們一般是先在水壓機上用模具把每瓣沖壓成型後再在現場焊接。對一般中小直徑的容器很少採用半球形封頭。
2.2 橢圓形封頭
橢圓形封頭由半個橢球和具有一定高度的圓筒殼體組成 (
或稱直邊部分 )
，其目的是為了避開在橢球邊緣與圓筒殼體的連線處置設焊縫，使焊縫轉移至圓筒區域，以免出現邊緣應力與熱應力疊加的情況。
當=2時，形狀係數 k=1
，則此式和圓筒體的壁厚計算公式幾乎相同，這就說明採用標準橢圓形封頭，其封頭壁厚近似等於筒體壁厚，這樣筒體和封頭就可採用同樣厚度的鋼板來製造。這不僅可以給選材帶來方便，也便於筒體和封頭的焊接。所以通常選用標準橢圓形封頭作為圓筒體的封頭。
＞2時，
k>1 ，封頭深度較小較扁平，計算出橢圓封頭的壁厚較標準封頭厚，同時受力情況不好。
＜2時，
k<1 ，計算出的壁厚可以比標準橢圓封頭薄，但封頭深度大，沖壓成型困難。當
=1，封頭就成了半球形，這時壁最薄。容器設計時筒體和封頭都應按公稱直徑選取，封頭應首先選用標準橢圓封頭，這樣便於加工製造，我國一機部已將標準橢圓封頭定出標準
(jb1154-73橢圓形封頭型式和尺寸 )
，各製造廠家已標準化定型生產，這樣可以減少相應的模具種類和數量，否則由於生產模具種類和數量太多，會增加製造成本，造成不必要的浪費。
2.3 碟形封頭
碟形封頭又稱帶摺邊的球形封頭，它由三部分組成，第一部分是以
ri 為半徑的球面部分，第二部分是高度為h 的直邊部分 ( 圓筒部分 ) ，第三部分是連線這兩部分的過渡區，其第一曲率半徑為r
。將蝶形封頭的直邊部分和過渡區去掉，只留下球面部分，並直接與圓筒連線就成為無摺邊球形封頭，這種封頭在連線處造成突然轉折，將會產生很大的橫推力
( 見錐形封頭部分 ) 和邊緣力，因此很少採用碟形封頭，可使曲率變化適當緩和一些，以減少該處的邊緣應力。
雖然如此，碟形封頭的球形部分和過渡區的圓弧部分以及過渡區圓弧部分與直邊部分，仍然是不同的曲面相連線，它們連線處曲率半徑依然有突變，故蝶形封頭在承受壓力內壓作用時，在連線處將產生邊緣應力。邊緣應力的大小與球面半徑
ri 和過渡區的半徑 r 的比值 r/ri 有關，r/ri
越小，曲率半徑突變越厲害，摺邊處的邊緣應力也就越大，對封頭也就越不利。蝶形封頭的主要優點是便於手工加工成型，只要有球面胎具和摺邊胎具就可以用人工鍛打的方法成型，且可以安裝現場製造。它的主要缺點如前所述，即受力情況不如橢圓形封頭好；另外因手工鍛打加工時間長，加熱時氧化皮脫落嚴重，並且經多次鍛打之後，加工減薄量比較大。因此目前多數工廠已經不採用蝶形封頭，而被橢圓形封頭所替代，一般僅在安裝現場製造大型常壓或低壓圓筒形貯罐時，採用蝶形封頭，我國早有蝶形風頭標準(jb576-64)
，供加工製造參考。
2.4 平蓋
平蓋也是化工容器或裝置常採用的一種封頭，它主要用於常壓和低壓的裝置，或者高壓小直徑的裝置上。它的特點是結構簡單，製造方便。所以也常常用於可拆的人孔蓋、換熱器端蓋等處。但是平蓋和凸形封頭比較，它主要承受彎曲應力的作用。平蓋的設計公式是根據承受均布載荷的平板理論推導出來的，板中產生兩向彎曲應力
徑向彎曲應力和環向彎曲應力，其最大值可能在板的中心，也可能在板的邊緣，要視周邊的支承方式而定。實際上平蓋的連線既不是單純的鉸支連線，也不是單純的剛性固定，而是介於它們之間。
平蓋按連線方式分為兩種，一種是可拆卸的平蓋，另一種是不可拆卸的平蓋。前者用螺栓固定，靠壓緊墊片密封，後者則採用整體鍛造或用平板焊接。整體鍛造的平蓋與筒體的連線處帶有一段半徑為
r的過渡圓弧，這種結構減小了平蓋邊緣與筒體連線處的邊緣應力，因此它的最大彎曲應力不是在邊緣而是在平蓋的中心。對平蓋與圓筒連線沒有過渡圓弧的連線結構形式，其最大彎曲應力可能出現在筒體與平蓋的連線部位，也可能出現在平蓋的中心。
2.5 錐形封頭
錐形封頭在同樣條件下與半球形、橢圓形和碟形封頭比較，其受力情況比較差，其中乙個主要原因是因為錐形封頭與圓筒連線處的轉折較為厲害，故曲率半徑發生突變而產生邊緣力的緣故。在化工生產中，對於粘度大或者懸浮性的液體物料，採用錐形封頭有利於排料，因此在筒體的下端常常採用錐形封頭。
另外對於兩個不同直徑的圓筒體，也常用錐形殼體連線，即錐體的大端與直徑較大的圓筒形殼體連線，小端則與直徑較小的圓筒體連線，構成變徑段。
錐形封頭有兩種結構形式，一種是無摺邊的錐形封頭，它一般應用在錐體半形
α ≤ 30? 的場合， 另一種是一端或兩端帶摺邊的過渡段組成。一般適用於錐體半形 α>30?
的場合。這種封頭由三部分組成，即錐體部分，半徑為 r 的圓弧過渡部分和高度為h
的圓筒部分。過渡部分可以減小錐體與圓筒體連線處的邊緣力，圓筒部分是為了將焊縫避開過渡區而轉移到圓筒與圓筒的連線部位。圓筒部分的高度一般取
h=25~40 mm 。
3 結語
綜上所述，經過各方面的比較，我優選橢圓型封頭和蝶形封頭，但因為蝶形封頭受力情況較差，最終決定選用橢圓型封頭，外協封頭廠製作。
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