组合载荷作用下碟形封头的稳定性分析

关于特殊碟形封头的强度及疲劳评定【摘要】本文主要从关于特殊碟形封头的强度及疲劳评定进行阐述说明。

当前针对特殊碟形封头作为根本的研究对象，运用多元化的计量方式，在温度场与应力场的作用下形成的全新弹塑性行为。

在计算的过程中，得出相关的结构应力，进而进行全面的分析与评定，通过实际的结论得出，该结构实际受力并不均匀，已经超出其余区域还维持在较低的水平上。

通过分析设计的方式可以全面的掌握实际的受力状态，由此进行改进，保证可以安全运行。

【关键词】特殊蝶形封头；强度；疲劳；评定引言：在食品单位的杀菌釜设备中，是主要的食品消毒设备，其中保证了食品的安全性，成为食品在市场当中流入的主要程序。

为其制作的杀菌釜当中，因为受到各场场地以及工艺的要求，杀菌釜所实际选择的特殊碟形封整体的标准已经进行了界定，相关标准当中的实际计算公式并不能更好的适用，因此需要对特殊碟形封头的强度及疲劳评定，进而针对性的研究。

1.强度计算的分析1.压力容器的构成不管压力容器的组成是怎样的，最为基本的亚原件都可以将其分为板与壳，板主要就是平封头，壳所指的就是圆筒体、球壳以及封头。

压力容器的封头又被称之为端盖，属于容器的主要构成部分，依照实际的形状可以将其风味锥形封头、平板封头的相关形势。

1.碟形封头的设计碟形封头又被统筹称之为一种带折边的球形封头，主要以半径为主要的球面，进而分成相同的三遍构成数。

因为过渡阶段的存在，降低了封头的深度，方便冲压。

但同样也是因为过渡区的存在，连接处曲率半径发生了明显的转变，进而得出较为明显的边缘效应。

二、设备参数尾部法兰由原先的平齐式接管结构改为加强的内伸式接管结构，从分析结果来看，结构的改变，有效避开了原结构尖角处的应力峰值，大幅度降低了应力，使得应力处在一个很低的水平，对结构的安定性非常有利。

虽然该批次设备已经顺利投产，第一批设备也过了服役期，从客户的反馈信息来看，此结构运行良好，满足客户的各项需求，但还是建议尽量避免此结构封头的使用，应该采用标准所推荐的形式，原因如下：首先，此结构尺寸远超标准所建议的尺寸，其受力状况接近于平板模型，在圆弧过渡区域的应力是其他部位的数倍，从而使得低应力区域的材料并没有得到充分的利用。

W型封头结晶罐强度校核与稳定性分析黄卫东;刘凯;左鹏;武海峰【摘要】W型封头结晶罐具有较好的结晶效果,但对其强度和安全性的研究较少.采用有限元分析软件ABAQUS对W型封头结晶罐建模,分别进行了内压和外压作用下的线性屈曲分析和强度分析,并根据JB 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》对结构的安全性进行了评价.分析评价结果表明,无论承受内压还是外压,最大应力均出现在W型封头椭圆与中间球形的过渡区域,此处强度校核均合格;在内压和外压工况下,W型封头稳定性均满足设计条件要求,在给定工况条件下结晶罐是安全的.【期刊名称】《石油化工设备》【年(卷),期】2018(047)004【总页数】4页(P24-27)【关键词】结晶罐;W型封头;强度;稳定性;有限元【作者】黄卫东;刘凯;左鹏;武海峰【作者单位】中国石油乌鲁木齐石化公司,新疆乌鲁木齐 830019;中海油惠州石化有限责任公司,广东惠州 516086;中国石油乌鲁木齐石化公司,新疆乌鲁木齐830019;甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,甘肃兰州 730070【正文语种】中文【中图分类】TQ053.203结晶罐主要应用于化学、制药、食品、饮料及乳品等工业领域，一般由罐体、搅拌器、摆线减速机等组成[1]。

结晶罐内的物料进行混合反应后，夹套内需要冷水来急速降温，在工作状态下，夹套内部和罐体内部均存在压力，封头承受着内、外压力的共同作用，处于一种复杂工况[2]，因此保证封头的强度对结晶罐的可靠、安全运行具有重要意义。

目前对罐体及封头的强度校核及稳定性已进行了系列研究，在应力分析与强度校核方面，张君颜等[3]对反应釜封头部位大开孔接管进行了应力分析与强度校核；周帼彦等[4]对板翅式热交换器封头强度进行了有限元分析，得到了板翅式热交换器不同结构形式封头相应的特点和应用范围；陈琦等[5]对乙二醇蒸发器大开孔结构进行了应力分析与强度校核；姚扬等[6]对W形筒体外置蜂窝夹套进行了应力分析与结构优化，使得蜂窝短管夹套的总质量下降了41.2%。

图1 屈曲曲线组合载荷作用下球罐的稳定性分析魏冬雪（中国寰球工程有限公司， 北京 100012）[摘 要] 本文以4000m 3丙烯罐为例，采用有限元法对受外压及重力联合作用下的球罐进行了线性和非线性稳定性分析，计算了球壳的临界失稳外压。

结果发现，非线性稳定性分析得到的球壳临界失稳外压约为线性分析结果的90%；重力对球壳的临界失稳外压影响不大。

[关键词] 球罐；稳定性分析；外压；非线性作者简介：魏冬雪（1984—），女，辽宁抚顺人，硕士研究生，工程师。

主要从事压力容器安全与可靠性研究。

图2 球罐整体结构几何模型图球罐是一种常见的储存设备，广泛应用于石油、化工、冶金等领域。

在球罐的设计和使用中，球壳常常承受外压作用，当外压载荷增大到某一数值时，球壳会突然失去原来的形状发生失稳[1]。

目前国内对球罐的外压稳定性的研究很少，仅有一些专家和学者对比了中外压力容器标准中关于外压球壳的计算方法[2]。

采用特征值（线性）屈曲分析方法研究了加强筋对球罐外压稳定性的影响 [3,4]，对仅承受均布外压的弹性支撑扁球壳进行了非线性稳定性分析[5]。

笔者认为这些问题的研究并不充分。

由于非线性分析需要消耗大量的时间和精力，对软硬件设施要求很高，球罐的非线性外压稳定性分析还是一个空白。

另外，在实际工程中，球罐不仅承受外压，同时还要承受球罐自身重量以及操作时罐内介质的重量、梯子平台以及其他附件的重量等。

在弹性变形范围内，各载荷引起的变形能相互叠加，然而对于受外压作用的球壳，情况并不一样，外压失稳是从一个平衡状态转到另一个平衡状态，是个突变过程，那么受外压作用的球壳，如果同时受重力载荷作用，其临界失稳压力是否会发生变化，又如何发生变化，为此，笔者进行了如下研究。

稳定性分析又叫屈曲分析，是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态的技术，一般稳定性分析可分为特征值（线性）屈曲分析和非线性屈曲分析。

特征值屈曲分析预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度（分叉点）如图1所示，但是缺陷和非线性行为阻止了大多数实际结构达到理想的弹性屈曲强度，特征值屈曲一般产生保守解，所以采用非线性屈曲分析才能得到更加接近实际的真实解[6]。

D类压力容器设计知识问答100题1、压力容器失效形式有哪几种？答：压力容器因机械载荷或温度载荷过高而丧失正常工作能力的称为失效。

其形式有三种：⑴.强度失效：容器在载荷作用下发生过量塑性变形或破裂。

⑵.刚度失效：容器发生过量弹性变形，导致运输、安装困难或丧失正常工作能力。

⑶.稳定失效：容器在载荷作用下形状突然发生改变导致丧失工作能力。

压力容器的设计必须计及上述三种失效可能，予以确保设备的正常使用。

2、GB150标准除了规定的常规设计方法以外还允许采用什么方法进行设计？答：还允许用以下方法设计，但需经全国压力容器标准化技术委员会评定、认可。

⑴.包括有限元法在内的应力分析；⑵.验证性实验分析（如实验应力分析、验证性液压试验）；⑶.用可比的已投入使用的结构进行对比经验设计。

3、GB150-1998中内压圆筒计算厚度的基本公式和适用范围是什么？答：基本公式：δ=Pc•Di/（2[σ]tφ- Pc）；适用范围：D0/Di≤1.5或Pc≤0.4[σ]tφ。

4、确定压力容器直径时需要考虑哪些因素？答：（1）操作工艺对容器直径的要求；（2）尽量选择适宜的长径比；（3）尽量选择标准直径；（4）满足容器内件安装、方便制造、检验和运输等方面要求。

5、内压、外压及真空容器的设计压力如何确定？答：⑴内压容器：设计压力是指在相应的设计温度下以确定容器壳体厚度的压力，其值不得低于安全阀的开启压力和爆破片装臵的爆破压力。

⑵外压容器：设计压力应取在正常操作情况下可能出现的最大内外压力差。

⑶真空容器：真空容器按承受外压设计；当装有安全控制装臵时，设计压力取1.25倍的最大内外压力差与0.1MPa两者中较小值；当无安全控制装臵时，取0.1MPa。

6、设计压力与计算压力有何不同，如何确定？答：设计压力是对容器的各个腔体而言的，是容器选择材料、划分类别、提出制造和检验要求、确定试验压力等的依据，也是确定容器各个受压元件计算压力的依据。

容器各个腔体的设计压力是根据其工作压力、安全阀的开启压力或爆破片的爆破压力等确定的。

内压碟形封头应力的理论与试验研究X 张吴星=摘要> 在理论分析的基础上对一内压薄壁碟形封头进行了应力试验分析,探讨了计算公式的正确性,验证了碟形封头的应力计算方法,提出了制作碟形封头时应注意的问题.主题词 碟形封头;应力;试验分类号 TH49目前,设计压力容器多采用椭圆封头,其中以标准椭圆封头(hi=0.25Di)最多.但是,在实际冲压封头成型时,标准椭圆封头难以成型,而一般是采用碟形封头代替.而对碟形封头的应力与强度的研究,目前尚不多见.为了更透彻地分析碟形封头的应力状况,笔者多次对实验室的一台不锈钢1Cr18Ni19Ti 碟形封头薄壁容器进行了试验应力测定,并进行了理论研究.图1 碟形封头1 碟形封头理论应力分析我们先来分析薄膜应力:碟形封头由球面和过渡区两部分组成.如图1所示:球面部分薄膜应力径向应力R mU =pR 2t =环向应力R m H =pR c 2t(1) 为求过渡段部分的薄膜应力应先求出其第二曲率半径,如图1所示,过渡段的第二曲率半径为:F =±c =±b +bc =r +bd sin U =r +0.5R -r sin U ,而第一曲率半径为r 1=r =75mm,所以:过渡段径向应力R m U =pr 22t =p 2t (r +0.5R -r sin U )(2)过渡段环向应力R m H =R m U (2-r 2r 1)=p 2t (r +0.5R -r sin U )(1-0.5R -r rsin U )(3) 显然,球面部分的薄膜应力与过渡区部分的薄膜应力是不相等的.这是因为在二者的连接边缘处存在边缘应力.根据理论推导[1~4]可求得边缘应力如下:球面部分:径向R 0U =9.8e-12.85X (cos 12.85X -sin12.85X )tan X ?48e -12.85X sin 12.85X 环向R 0H =-21.61e-12.85X cos 12.85X ?16e -12.85X sin 12.85X 过渡段部分:径向R 0U =-85.25e -2.33X sin 2.33X第21卷第4期1999年12月 湘 潭 大 学 自 然 科 学 学 报Natural Science Journal of Xiangtan Universi ty Vol.21No.4Dec.1999X 作者单位:湘潭大学机械工程学院,湘潭,411105;本文作者,女,1959年生,实验师 收稿日期:199815环向R 0H =91.71e-12.85X (cos 12.85X +sin 2.33X )总应力为薄膜应力+边缘应力,即球面部分:径向R U =R m U +R 0U =(pR /2t )+9.8e -12.85X (cos 12.85X -sin 12.85X )tan X ?48e -12.85X sin 12.85X(4)环向R H =R m H +R 0H =pR 2t-21.61e -12.85X cos 12.85X º16e -12.85X sin 12.85X (5) 过渡段部分:径向R U =R m U +R 0U =p 2t (r +0.5R -r sin U )-85.25e -2.33X sin 2.33X (6)环向R H =R m H +R 0H =p 2t (r +0.5R -r sin U )(1-0.5R -r r sin U )+91.71e -12.85X (cos 12.85X +sin 2.33X )(7)图2 碟形封头外壁理论与实测应力分布图由(4)~(7)绘出理论总应力如图2.2 应力实测结果分析2.1 试验简况为了考察内压碟形封头的理论分析结果,我们对化机实验室的一碟形封头进行了外壁应力测试.碟形封头直径D =500mm,球面部分半径R =500mm,折边半径r =75mm,厚度t =5mm,水压试验压力为0.4MPa.为了测定碟形封头的应力变化梯度及圆弧过渡区的应力梯度,测点的布置如图3所示.试验时的升压及卸压程序为:0y 0.1y 0.2y 0.3y 0.4y 0.3y 0.2y 0.1图3 碟形封头应力测点示意图y 0MPa,在每个压力级下各测一次应变数值.以内压p =0.4MPa 为例,所得结果如图2.2.2 应力测试结果根据测试结果,分析如下:随着内压p 增大,各测点应力也随着增大,未出现异常现象.大球面上的R U 和R H变化不大,最大应力出现在球壳与过渡段相接处,是由于曲率半径突然变化,产生局部应力集中,使得R U 和R H 均出现突变.2.3 理论与实测结果比较分析从图2可以看出,外壁实测应力曲线都具有相同的应力趋势,最大应力都发生在球壳与过渡段相邻处.理论最大应力R U =35MPa,R H =32MPa,实测最大应力R U =33MPa,R H =30MPa,误差分别为6%,和6.7%,两者有一定的误差,主要是设备制作尺寸上的误差以及测试仪器等方面的精度引起的.99第4期 张吴星 内压碟形封头应力的理论与试验研究100湘潭大学自然科学学报1999年3形状修正系数的讨论文献[3、4]曾提出过形状修正系数,认为碟形封头的最大应力应为球面部分的薄膜应力乘以形状修正系数M,其中M如式(8)所示:M=(1P4)(3+R/r)(8)该式实际上是根据Maker Hohn的实验建议曲线得出的.根据本文所采用的实验封头可算得M= 1.4,因此碟形封头的最大应力应20@1.4=28MPa,理论与实测结果略有差异,建议用如下公式加以修正:M=(1P4)(4-R/r).4碟形封头的强度设计由理论分析可知,碟形封头的强度与过渡半径r i有关,不宜把r做得大小:r\0.01D,r\ 3t,且R[D.美国焊接委员会(W RC Bulletin95/1964)给出了碟形封头失稳的压力极限计算式.p c P R s=(0.33+ 5.5r P D)(S H P R)+28(1-2.2r P D)(S H P R)2-0.0006式中:p c为失稳内压力;R S为材料屈服强度.上式表明:碟形封头的失稳压力对材料许用应力之比只与封头的几何形状(r/D,R/D)和厚度(t/D)有关,而与材料特性无关,这与本文的讨论是相符的.5结论综上所述,我们可以得到以下结论:a.理论分析与实验结果较为接近,其误差主要是由于设备的尺寸误差以及测试仪器的精度等所致.b.按传统上采用形状修正系数的方法来估算碟形封头的应力大体是可行的.c.碟形封头的应力在很大程度上取决于r/D,r/D越小,其应力越大.特别是周向压缩应力,随着r/D的减小将急剧增大.参考文献1约翰F哈维著.压力容器部件结构)))设计与材料.刘汉槎译.北京:化学工业出版社.19852余国琮.化工容器及设备.北京:化学工业出版社.19803王志文.化工容器设计.北京:化学工业出版社.19894Ja wad M H,Farr J R.Strutural Anal ysi s and Design of Proces s Equipment.John Wilev Sobs.Inc19845李业勤.压力容器新型封头设计.压力容器,1988(3):466全国压力容器标准化技术委员会.GB15089,钢制压力容器.北京,人民出版社,19907徐灏.安全系数和许用应力.北京:机械工业出版社.1981Theoretical and Experimental Research on Stress of Internal Pressure Dish C oversZhang Wuxin(Institute of Mechanical Engineeing,Xiangtan Uni versity,Xiangtan411105,China)=Abstracts>Stress on an internal pressure dish cover of thin wall is experimentally analysed on the ba-sis of principles analysis.Correctness of calculating formulas is discussed.The method of calculating stress is verified for dish c overs.Necessary attentions are provided when dish covers being made. Subject w ords:dish cover,stress,experiment。

压力容器换证评审问题集（2015.09.16）1.高压U型换热器壳程介质为液体时且操作压力较低时，设计压力的选取问题。

2.高压容器结构特点1)筒体为厚壁筒或多层。

2)封头为球形或平盖（小直径）。

3)筒体上下采用法兰连接，采用筒体端部结构。

4)密封不采用普通垫片，采用金属垫，密封结构形式多采用自紧式。

5)开孔补强采用整体补强，不采用补强扳结构。

小接管采用安放式结构。

6)接管法兰采用长颈法兰、透镜垫、缩颈双头螺柱、厚螺母3.简述厚壁筒应力分布情况（内压作用下）1)环向应力（拉应力）：内壁最大，外壁最小，内外壁应力差等于内压力。

2)轴向应力（拉应力）：沿壁厚均布。

3)径向应力（压应力）：内壁最大，外壁等于零，内外壁应力差等于内压力4.中径公式适用于厚壁筒情况中径公式可适用于Ｋ≤1.5，此时中径公式计算的应力比按拉美公式计算的最大环向应力小3.8％。

5.平盖受力比较简支板：最大应力在中心，径向、环向弯曲应力相等。

固支板：最大应力在边缘，为径向弯曲应力。

简支板的最大应力大于固支板的最大应力。

6.换热器壳程圆筒最小厚度的考虑因素？局部应力和装配检修。

7.换热管排列方式及比较？三角形：排管紧凑，管间清理不方便。

正方形：管间清理方便，但排管少。

8.折流板的作用？①增加壳程介质的流速，提高换热效率。

②起到支承板的作用。

当壳程介质为两相并存时（为蒸汽）弓形折流板缺口必须左右布置，否则会造成壳程第一块折流板处形成水封，导致壳程换热失效。

9.U形换热器、固定管板换热器管板受力的比较？压力作用时，固定管板受力好于U形管板。

管壳温差作用时，U形管板受力好于固定管板。

10.固定管板管束最大应力的发生部位？固定管板最大应力发生在板边缘。

边缘管子受力最大。

当壳程设置有膨胀节时，要具体问题具体分析。

11.制备产品焊接试件的目的是什么，有何意义？12.焊接残余应力对容器静力强度有何影响焊接残余应力本身不影响容器静力强度。

但对脆性断裂、应力腐蚀和疲劳容器会产生不良影响，故需消除。

封头人孔利群：蝶形封头在设备中的优点48P
虽然蝶形封头使用没有标准椭圆封头广泛，但是随着市场不断发展，设备的外观也不断提高，已经有越来越多的客户采用浅蝶形这种形状的封头。

首先，蝶形封头的底部圆弧不是非常饱满，看上去非常有角度感，
其次，这种封头的高度较矮，在操作上面，比一般的封头操作更容易；
第三，因为圆弧较小，封头的外观呈弧平底形状，外观是最耐看的一种；
第四，因为这种封头深度较浅，所以在成本上比标准的更优惠一点；
所以，现在很多设备，如水处理设备，制药设备，环保设备上面，使用越来越多，相信这种形状的封头在以后的市场需求中还会不断增加。