封頭的分類、結(jié)構(gòu)和選用

     封頭主要是作為壓力容器的一部分。按壓力等級(jí)分類，壓力容器可分為內(nèi)壓容器與外壓容器。內(nèi)壓容器又可按設(shè)計(jì)壓力(P)的高低，劃分為低壓、中壓、高壓、超高壓四個(gè)壓力等級(jí)。

    低壓(代號(hào)L)容器O.1MPa≤P<1.6MPa;

    中壓(代號(hào)M)容器1.6MPa≤P<10.OMPa；

    高壓(代號(hào)H)容器lOMPa≤P<lOOMPa；

    超高壓(代號(hào)U)容器P≥1OOMPa。

    容器承壓不同所用的封頭形式也不同。

    化工容器上常用的封頭形式有半球形、橢圓形、蝶形、無折邊球形、錐形等，如圖1-1所示。橢圓形封頭的形式及尺寸按GB150-1998《鋼制壓力容器》的規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的長短軸之比為2。蝶形封頭球面部分的內(nèi)半徑應(yīng)不大于封頭的內(nèi)直徑，通常取0.9倍的封頭內(nèi)直徑（無折邊球形封頭亦應(yīng)按此要求），封頭轉(zhuǎn)角處內(nèi)半徑不應(yīng)小于封頭內(nèi)直徑的10%，且不得小于3倍的壁厚。無折邊軸對(duì)稱錐形封頭適用于錐體半頂角a≤300。當(dāng)半頂角α>30°時(shí)，錐體與簡體的連接處應(yīng)接應(yīng)力分析的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，或采用折邊錐形封頭的形式。

    各種封頭的不同主要表現(xiàn)在幾何和強(qiáng)度兩個(gè)方面。在幾何方面，各種封頭的單位容積的表面積以球形封頭為 小。相同直徑的橢圓形及蝶形封頭的容積和表面積基本相同，其容積等于直徑為Di高度為h1的簡體的2/3，其表面積約等于直徑為Di的圓面積的1.4倍。錐體封頭的容積和表面積決定于錐角口的大小，與具有相同直徑和高度的簡體相比較，錐形封頭的容積為簡體的1/3，單位容積的表面積比簡體大50%以上。強(qiáng)度方面，在直徑、壁厚和工作壓力均相同的條件下，半球形封頭的應(yīng)力 小，兩向薄膜應(yīng)力相等，而且沿經(jīng)線是均勻分布的。如果和壁厚相等的簡體連接，邊緣附近的 應(yīng)力與薄膜應(yīng)力并無明顯不同。橢圓形封頭的應(yīng)力情況不如半球形封頭均勻，但比蝶形封頭要好。橢圓形封頭從薄膜應(yīng)力來分析，沿經(jīng)線各點(diǎn)的應(yīng)力是變化的，在以封頭中心為中心的0.8Di范圍以外處應(yīng)力 。當(dāng)Di /2hi=2且與壁厚相同的簡體連接時(shí)，橢圓封頭可以達(dá)到與簡體等強(qiáng)度。蝶形封頭在強(qiáng)度上的 缺點(diǎn)在于具有較小的折邊半徑ri，這一折邊區(qū)的存在使得封頭的經(jīng)線不連續(xù)，致使該處產(chǎn)生較大的徑向彎曲應(yīng)力和軸向應(yīng)力。ri/R愈小，則折邊區(qū)的這些應(yīng)力 愈大，因而有可能出現(xiàn)軸向折皺。故小折邊的蝶形封頭不適用于壓力容器。當(dāng)折邊半徑ri=0。蝶形封頭即成為無折邊的球形蓋。這種封頭的力學(xué)性能不好，在折點(diǎn)的局部區(qū)將出現(xiàn)較大的峰值應(yīng)力。錐形封頭有利于流體的均勻分布和排料。

    封頭的選用要盡可能滿足強(qiáng)度和制造工藝的要求。例如，雖然半球形封頭的受力 ，單位容積所用材料 少，但由于制造費(fèi)用較高，所以一般在中、低壓容器中 采用制造略易、受力也不差的橢圓形及蝶形封頭。無折邊球形封頭則由于和圓筒連接處會(huì)產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力，所以一般僅用于常壓、低壓或作中間封頭。錐形封頭和無折邊球形封頭類似，一般只用于中、低壓反應(yīng)容器等的下封頭，以便于卸科。雖然平板的受力遠(yuǎn)不如殼體，但在中。小型高壓容器中，采用平蓋封頭遠(yuǎn)比采用球形封頭普遍，雖然材料費(fèi)用略增，但是制造費(fèi)用大為下降。