压力容器封头
摘要
文章全面阐述了封头在压力容器中的应用，包括其定义、不同类型的封头标准的发展历史、封头的多种类型和分类、以及封头计算和选用的原则。强调了封头设计中需要考虑的几何、力学特性和制造工艺，以及如何根据具体的工作条件和技术经济分析来选择合适的封头类型。
正文
封头是经加工成形的同轴或二轴平行的凸形、锥形、变径段、平盖、紧缩口、偏心圆锥等旋转或对称的几何体，与圆筒形几何体的两端或一端或其他部位，共同构成密闭或敞开的承压、真空或常压空间，用于存放气体、液体或固体的部件。其英文名为“Head ” ，日文称“镜板”，中国台湾称“端板”。“压力容器建造用术语词汇”的定义是：“形成压力容器端部或中间间隔的碟形等形状的部分就是封头”。1.标准发展
60年代至今, 我国陆续制定及修订的封头标准有按结构型式分类的JB576-64《碟形封头》、JB/T4737-95《椭圆形封头》、JB/T4738-95《90°折边锥形封头》、JB/T4739-95《60°折边锥形封头》和按成形方式分类的JB/T4729-94《旋压封头》等, 上述标准与GB150《钢制压力容器》配套。2002年8月JB/T4746发布后替代了以上所列标准，与GB150和JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》配套。随着化工、石油化工等工业的飞速发展，许多使用工况更趋苛刻，如强腐蚀、高温等，因而有色金属及其合金制压力容器增多，经数年设计、制造技术的进步与使用实践的积累，为和铝、钛、铜、镍及镍合金制压力容器等建造标准配套，规范压力容器用封头的制造、检验与验收要求，确保封头的产品质量，编制GB/T 25198-2010《压力容器封头》，自2010年09月26日发布，2011年02月01日实施至今。2.分类
1）凸形封头:椭圆形、碟形、球冠形、半球形；
2）锥形封头；
3）反向曲线变径段；
4）圆形（椭圆形）平盖、平底形封头；
5）锻制紧缩口；
6）带法兰凸形封头。我国的封头类型代号习惯采用三个英文大写字母组成，其中第一个字母代表封头的形状，如H（hemispherical）表示半球形、E（ellipsoidal）表示椭圆形、T（torispherical）表示碟形、F（flat）表示平底形、C（conical）表示锥形；第二个字母H（head）表示封头；第三个字母表示其它，其中A表示以内径为基准、B表示以外径为基准。由于球冠形封头（spherically dished head）不以内径或外径为基准，则以其英文译名的缩写SDH表示。由于锥形封头的半顶角通常分为30°、45°、60°三种，则在其代号后加上（30）、（45）、（60）以示区别。
（加氢反应器运输）
3.计算
计算公式是按薄膜理论推导而来，可按容器内径或外径为基准进行壁厚计算，详见GB/T150.3 第3.4 节中有关球壳的内容。1） 计算公式是以圆筒公式为基础，对封头与圆筒连接部位的边界效应作用以形状系数K 加以反映。长、短轴的比值α/b 越大， K 值越大；当长、短轴之比大于2.5 时，封头很容易发生周向失稳，故将α/b 控制在2.6。标准椭圆形封头的长短轴之比为2，应用最为普遍，其K=1。3）封头厚度计算除满足强度外，还应满足稳定要求。对于α/b小于等于2的椭圆形封头，有效厚度不得小于0.15%Di ，对α/b>2 的椭圆形封头有效厚度不得小于0.30%Di。1）计算公式是以封头球面部分球壳计算公式乘以形状系数M修正得来。Ri/r越大，封头曲面不连续处局部应力越突出，形状系数M越大。因此应将过渡段转角内径限制在r>=10%Di的范围内。3）封头厚度计算除满足强度外，还应满足稳定要求。对于M<=1.34的碟形封头，其有效厚度不得小于0.15%di，对m> 1.34 的碟形封头，其有效厚度不得小于0.30%Di。1）计算公式是以圆筒公式为基础的。对于球冠形封头与筒体连接部位，由边界效应引起的局部薄膜应力和弯曲应力的影响，通过系数Q来加以修正。对于不同受压状况，Q值从不同的图上查取。2）对于大直径的球冠形封头，可以考虑封头中间球面区与端部的加强段取不同的厚度，球冠与圆筒连接部位的T 形接头必须为截面全焊透结构。1）由于结构不连续，连接处会产生较大的局部应力。当锥壳半顶角α小于等于30度时，弯曲应力较小，这时可以采用无折边锥形封头，当α >30度时锥壳大端应采用有折边结构，当α>45度时锥壳小端也应采用带折边的过渡结构。2）锥壳厚度计算公式采用当量圆筒计算式。对于大小端加强段也采用圆筒计算式，并乘以应力增值系数Q 加以修正；对于带折边的锥形封头，大端可以当量碟形封头进行计算。偏心锥壳可按锥壳处理。内压作用下当锥壳半顶角α小于等于30度时，偏心锥壳的厚度按镀形封头计算，锥壳半顶角α 按偏心锥壳与简体间的两个夹角的较大值选取。外压作用下，当锥壳半顶角α小于等于60度时，锥壳厚度按外压锥壳进行稳定校核，校核应按两种半顶角分别进行。3.7平盖通过系数K 来体现平盖周边的支承情况，K 值越小，平盖周边越接近于固支情况，反之就越接近于简支情况。计算内容分封头厚度计算和法兰厚度计算两部分，有四种形式，其中带法兰球冠形封头常用于浮头换热器。
（换热器吊装）
4选用
应根据工作条件的要求，既要考虑封头的形状及其应力的分布规律，又要考虑冲压、焊接、装配的难易程度，进行全面的技术和经济分析。同体积以半球形封头表面积为最小，椭圆形封头与碟形基本相同。在直径、壁厚、工作压力相同的条件下，半球封头应力最小，两向薄膜应力相等，而且沿经线均匀分布，如与壁厚相等的筒体连接，边缘附近的最大应力与薄膜应力并无明显不同。椭圆形封头的应力情况不如半球形封头均匀，但比碟形封头要好些，顶点处应力最大，在赤道上出现周向压应力，当Di/(2h） =2与壁厚相等的筒体连接时，椭圆形封头可以达到与筒体等强度。碟形封头在力学上的最大缺点在于具有较小的折边半径r，这一折边区的存在使得封头的经线不连续，以致使该处产生较大的经向弯曲应力和周向压应力。不过r/R越小，则折边区的这些应力就越大，因而有可能发生周向裂纹，亦可能出现周向折皱。当r=0时，碟形封头成为无折边球形盖，封头的力学性能不好，在折点的局部区将出现峰值应力，折点处的焊缝将成为危险源，封头与筒体的角焊缝为全焊透结构。锥形封头在化工容器中采用的目的是锥形壳体有利于流体均匀分布和排料，锥形封头就力学特点来说，锥顶尖部分强度很高，在锥顶尖开孔一般不需补强。各种封头一般是由敲打、冲压、滚卷或爆炸成型制造，半球形与椭圆形封头通常用冲压的方法制造，大型半球形封头亦可先冲压成球瓣，然后组对拼焊而成，碟形封头通常用敲打、冲压或爆炸成型，折边部分可滚压或敲打制成。从制造工艺分析，封头越深，直径与壁厚越大，越不易制造成，尤其当选用高强钢更如此。整体冲压半球形封头不如椭圆形封头好制造。椭圆形封头必须有几何正确的椭圆面模具，人工敲打制造。椭圆形封头制造灵活性大，锥形封头的锥顶尖部分很难卷制，当锥顶角较小时，为了避免制造上的困难和减小锥体高度，有时可以采用组合式封头。
