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摘 要：在工业生产过程中，压力容器是不可获取的重要装置之一，而封头则是容器上的关键部分。对于不同的压力容器而言，封头的作用也不相同，如连接作用、承压作用等等，它的质量优劣直接关系到压力容器的运行安全性和稳定性，并且还会间接影响到容器的使用寿命。而想要根本上提高封头的质量，就必须做好设计计算工作。由于封头的形式较多，不同的形式设计计算方法也不相同。本文重点对外压锥形封头设计中的相关问题进行研究。
关键词：封头 锥形封头 设计
一、封头简介
所谓的封头具体是指位于压力容器顶部的端盖，通过焊接方式与筒体相连接。根据焊接方式的不同，可将封头分为焊封头和承插焊封头；根据封头几何形状的不同，可将封头分为碟形、球形、球冠型、橢圆形、球形、锥形、平盖等封头。其中，球形、碟形、椭圆形、锥形、球冠型封头又被成为凸型封头，广泛应用于换热器、锅炉、蒸发器、储罐、沉降器、分离设备等各种压力容器设备，对容器设备起着重要的密封作用。封头主要通过以下两种形式与压力容器连接：一是将封头做成罐形压力容器的上顶部或下底部；二是在管道无需再延伸的情况下，将封头焊接在管道上，对管道进行密封。与封头配套使用的部件为法兰盘、管道、压力容器、三通、四通等。封头的材质主要包括不锈钢（304L、304、316、321等）、碳钢（A3、16Mn、Q235等）、合金钢（15CrMoV、15Mo3、35CrMoV等）、铜、铝、镍、铝等。对于锥形封头而言，它能够收集和卸除压力容器设备中的固体物料。在一些上、下部位直径不同的设备上，可利用锥形封头将两个直径不同的部位连接起来，形成圆锥状的变径段。封头作为大型压力容器的重要承压部件，其质量的优劣直接影响到压力容器使用寿命的长短以及运行的安全性、可靠性。所以，通常情况下，压力容器制造企业将封头的质量视为评价压力容器产品整体质量的重要衡量标准。在我国国民经济快速发展的新时期，石油化工、食品、制药等多个领域对大型封头产品的需求也在日益增长。
二、外压锥形封头设计计算方法研究
在各种封头当中，锥形封头的设计相对比较复杂，这与其本身的形态有着直接关系。目前，对锥形封头的设计计算主要分为两种，一种是针对于无折边的锥形封头，另一种则是针对折边封头。下面对这两种设计计算方法进行详细论述。
（一）无折边锥形封头的设计计算
由于锥形封头的大端和小端存在非常明显的差异，所以需要分开进行设计计算。
1.锥体大端的设计计算。当锥形封头的大端与圆筒相连接时，外锥壳大端的厚度可以按照以下步骤进行确定：
步骤一：依据与半顶角的值，查确定锥壳大端连接位置处的加强图，可得出两种结果，一种是当其交点位于曲线之上时，不需要对其进行局部加强；另一种是当其交点位于曲线的下方时，则应当进行局部加强。
步骤二：当不要进行局部加强时，可以按照下式对椎体大端的壁厚进行计算：
步骤三：当需要增加厚度并进行加强时，应当在锥壳与圆筒之间的位置处设置一个加强段，并确保锥壳与圆筒的加强段厚度一致，可按照下式对加强段的壁厚进行计算：
在式（2）当中，Q代表应力增值系数，它与与值有关，通过对锥壳大端连接位置处的Q值图可以查出中间值采用的是内插法。为此，锥壳加强段的长度L1应当不小于；而圆筒加强段的长度L则应当不小于。
2.锥体小端的设计计算。由于锥形封头的小端结构要比大端简答一些，故此它的设计计算步骤也相对比较简单。当锥形封头的小端与筒体相连接时，小端的壁厚可根据如下步骤进行设计：先依据与半顶角的值，然后查确定锥壳小端连接位置处的加强图。如果其交点位于曲线上方的话，那么不需要进行局部加强，其壁厚的计算过程与锥体大端相同；若是其交点位于图中曲线的下方，则应当对其进行局部加强，壁厚的计算公式如下：
在式（3）当中，Dis表示锥体小端的内直径（单位/mm）。通过对锥体小端连接位置处的Q值图可以查出，不论在何种情况下，加强段的厚度都不可以小于下相连接的锥壳厚度。由此可知，锥壳加强段的长度L2不得小于；而圆筒加强段的长度L则应当不小于。
经过上述计算后可得出以下结论：对于无折边锥形封头而言，当其锥壳大端或是小端，亦或是两端都具有加强段时，应当分别对锥壳的各个部分的厚度进行计算确定，如果整个锥形封头采用的是统一的厚度，那么应当按照各部分中厚度最大值作为无折边锥形封头的厚度。
（二）折边锥形封头的设计计算
为了缓解转角处所产生的集中应力，可选用带折边的锥形封头或变径段。按照半顶角大小的不同，具体可分为以下三种设计计算方式：若锥体大端的半顶角超过30°，则应当选择带过渡段的折边锥形封头。若不选用此类锥形封头，那么就应在科学分析应力的基础上对封头进行系统设计；若锥体小端的半顶角超过45°，则应当选择带折边的锥形封头。必须注意的是，锥体大端折边锥壳过渡段转角半角必须大于封头大端内径，且超过封头大端内径的10%以上。锥体小端折边过渡段转角半径必须大于封头小端内径，且超过封头小端内径的5%以上。锥形封头的厚度要大于锥体厚度的3倍以上；若锥壳半顶角超过60°，那么所选用的锥形封头厚度既可以按照平盖封头进行计算，也可以根据应力分析结果进行计算。
1.大端的设计计算。与无折边的锥形封头相比，带折边的锥形封头的设计计算要先对简单一些，大端壁厚可以按照过渡段与相连接位置处锥体两部分分别进行计算，如果封头整体厚度一致，那么应当取以下两式计算结果中的较大值。
过渡段的壁厚计算如下：
与过渡段相连接位置处的锥壳厚度如下：
2.锥壳小端的设计计算。在锥壳半顶角不超过45°的情况下，如果采用小端无折边的锥形封头，那么其小端厚度应当将锥体小端厚度作为计算标准进行确定；如果采用小端有折边的锥形封头，那么其小端过渡段的厚度应当根据公式4进行确定。在该公式中，Q值根据锥壳小端连接处的Q值图查取进行确定。
在锥壳半顶角超过45°的情况下，小端过渡段厚度也应当按照公式4进行确定，只不过Q值的确定有所不同，需要根据小端带过渡段连接的Q值图查取进行确定。同时，根据过渡段的厚度确定与过渡段相接的锥壳与圆筒之间加强段的厚度。锥壳加强段的长度L1必须大于；圆筒加强段的长度L必须大于。无论在何种状况下，连接处的锥壳厚度都必须小于加强段的厚度。
三、结论
综上所述，锥形封头的设计计算是一项较为复杂且系统的工作，本文从有、无折边这两个方面对外压锥形封头的设计进行了分析。在未来一段时期，应当从其他方面着手对锥形封头的设计进行更加深入的研究，这不但有助于提高锥形封头的整体质量，而且还能进一步延长与之相关的压力容器的使用寿命。
参考文献
[1]王妍玲.李明.内压椭圆球封头压力容器筒壳优化设计数学模型的建立[J].齐齐哈尔大学学报.2010（7）.
[2]丁伯民.近似椭圆形封头等效代替标准椭圆形封头的可能性与条件[J].化工设备设计.2009（2）.
[3]陶伟明.杨娅君.郭乙木.内压作用下压力容器封头局部屈曲分析[J].机械工程学报.2012（4）.
[4]万力.陶伟明.吴莘馨.由初始儿何缺陷引起的薄壁压力容器在内压作用下的局部非线性屈曲[J].核动力工程.2011（5）.
[5]张彤.汤国伟.殷雅俊.内压作用下碟形封头压力容器的弹塑性屈曲行为分析[J].化工机械.2010（5）.
关键词：封头 锥形封头 设计
一、封头简介
所谓的封头具体是指位于压力容器顶部的端盖，通过焊接方式与筒体相连接。根据焊接方式的不同，可将封头分为焊封头和承插焊封头；根据封头几何形状的不同，可将封头分为碟形、球形、球冠型、橢圆形、球形、锥形、平盖等封头。其中，球形、碟形、椭圆形、锥形、球冠型封头又被成为凸型封头，广泛应用于换热器、锅炉、蒸发器、储罐、沉降器、分离设备等各种压力容器设备，对容器设备起着重要的密封作用。封头主要通过以下两种形式与压力容器连接：一是将封头做成罐形压力容器的上顶部或下底部；二是在管道无需再延伸的情况下，将封头焊接在管道上，对管道进行密封。与封头配套使用的部件为法兰盘、管道、压力容器、三通、四通等。封头的材质主要包括不锈钢（304L、304、316、321等）、碳钢（A3、16Mn、Q235等）、合金钢（15CrMoV、15Mo3、35CrMoV等）、铜、铝、镍、铝等。对于锥形封头而言，它能够收集和卸除压力容器设备中的固体物料。在一些上、下部位直径不同的设备上，可利用锥形封头将两个直径不同的部位连接起来，形成圆锥状的变径段。封头作为大型压力容器的重要承压部件，其质量的优劣直接影响到压力容器使用寿命的长短以及运行的安全性、可靠性。所以，通常情况下，压力容器制造企业将封头的质量视为评价压力容器产品整体质量的重要衡量标准。在我国国民经济快速发展的新时期，石油化工、食品、制药等多个领域对大型封头产品的需求也在日益增长。
二、外压锥形封头设计计算方法研究
在各种封头当中，锥形封头的设计相对比较复杂，这与其本身的形态有着直接关系。目前，对锥形封头的设计计算主要分为两种，一种是针对于无折边的锥形封头，另一种则是针对折边封头。下面对这两种设计计算方法进行详细论述。
（一）无折边锥形封头的设计计算
由于锥形封头的大端和小端存在非常明显的差异，所以需要分开进行设计计算。
1.锥体大端的设计计算。当锥形封头的大端与圆筒相连接时，外锥壳大端的厚度可以按照以下步骤进行确定：
步骤一：依据与半顶角的值，查确定锥壳大端连接位置处的加强图，可得出两种结果，一种是当其交点位于曲线之上时，不需要对其进行局部加强；另一种是当其交点位于曲线的下方时，则应当进行局部加强。
步骤二：当不要进行局部加强时，可以按照下式对椎体大端的壁厚进行计算：
步骤三：当需要增加厚度并进行加强时，应当在锥壳与圆筒之间的位置处设置一个加强段，并确保锥壳与圆筒的加强段厚度一致，可按照下式对加强段的壁厚进行计算：
在式（2）当中，Q代表应力增值系数，它与与值有关，通过对锥壳大端连接位置处的Q值图可以查出中间值采用的是内插法。为此，锥壳加强段的长度L1应当不小于；而圆筒加强段的长度L则应当不小于。
2.锥体小端的设计计算。由于锥形封头的小端结构要比大端简答一些，故此它的设计计算步骤也相对比较简单。当锥形封头的小端与筒体相连接时，小端的壁厚可根据如下步骤进行设计：先依据与半顶角的值，然后查确定锥壳小端连接位置处的加强图。如果其交点位于曲线上方的话，那么不需要进行局部加强，其壁厚的计算过程与锥体大端相同；若是其交点位于图中曲线的下方，则应当对其进行局部加强，壁厚的计算公式如下：
在式（3）当中，Dis表示锥体小端的内直径（单位/mm）。通过对锥体小端连接位置处的Q值图可以查出，不论在何种情况下，加强段的厚度都不可以小于下相连接的锥壳厚度。由此可知，锥壳加强段的长度L2不得小于；而圆筒加强段的长度L则应当不小于。
经过上述计算后可得出以下结论：对于无折边锥形封头而言，当其锥壳大端或是小端，亦或是两端都具有加强段时，应当分别对锥壳的各个部分的厚度进行计算确定，如果整个锥形封头采用的是统一的厚度，那么应当按照各部分中厚度最大值作为无折边锥形封头的厚度。
（二）折边锥形封头的设计计算
为了缓解转角处所产生的集中应力，可选用带折边的锥形封头或变径段。按照半顶角大小的不同，具体可分为以下三种设计计算方式：若锥体大端的半顶角超过30°，则应当选择带过渡段的折边锥形封头。若不选用此类锥形封头，那么就应在科学分析应力的基础上对封头进行系统设计；若锥体小端的半顶角超过45°，则应当选择带折边的锥形封头。必须注意的是，锥体大端折边锥壳过渡段转角半角必须大于封头大端内径，且超过封头大端内径的10%以上。锥体小端折边过渡段转角半径必须大于封头小端内径，且超过封头小端内径的5%以上。锥形封头的厚度要大于锥体厚度的3倍以上；若锥壳半顶角超过60°，那么所选用的锥形封头厚度既可以按照平盖封头进行计算，也可以根据应力分析结果进行计算。
1.大端的设计计算。与无折边的锥形封头相比，带折边的锥形封头的设计计算要先对简单一些，大端壁厚可以按照过渡段与相连接位置处锥体两部分分别进行计算，如果封头整体厚度一致，那么应当取以下两式计算结果中的较大值。
过渡段的壁厚计算如下：
与过渡段相连接位置处的锥壳厚度如下：
2.锥壳小端的设计计算。在锥壳半顶角不超过45°的情况下，如果采用小端无折边的锥形封头，那么其小端厚度应当将锥体小端厚度作为计算标准进行确定；如果采用小端有折边的锥形封头，那么其小端过渡段的厚度应当根据公式4进行确定。在该公式中，Q值根据锥壳小端连接处的Q值图查取进行确定。
在锥壳半顶角超过45°的情况下，小端过渡段厚度也应当按照公式4进行确定，只不过Q值的确定有所不同，需要根据小端带过渡段连接的Q值图查取进行确定。同时，根据过渡段的厚度确定与过渡段相接的锥壳与圆筒之间加强段的厚度。锥壳加强段的长度L1必须大于；圆筒加强段的长度L必须大于。无论在何种状况下，连接处的锥壳厚度都必须小于加强段的厚度。
三、结论
综上所述，锥形封头的设计计算是一项较为复杂且系统的工作，本文从有、无折边这两个方面对外压锥形封头的设计进行了分析。在未来一段时期，应当从其他方面着手对锥形封头的设计进行更加深入的研究，这不但有助于提高锥形封头的整体质量，而且还能进一步延长与之相关的压力容器的使用寿命。
参考文献
[1]王妍玲.李明.内压椭圆球封头压力容器筒壳优化设计数学模型的建立[J].齐齐哈尔大学学报.2010（7）.
[2]丁伯民.近似椭圆形封头等效代替标准椭圆形封头的可能性与条件[J].化工设备设计.2009（2）.
[3]陶伟明.杨娅君.郭乙木.内压作用下压力容器封头局部屈曲分析[J].机械工程学报.2012（4）.
[4]万力.陶伟明.吴莘馨.由初始儿何缺陷引起的薄壁压力容器在内压作用下的局部非线性屈曲[J].核动力工程.2011（5）.
[5]张彤.汤国伟.殷雅俊.内压作用下碟形封头压力容器的弹塑性屈曲行为分析[J].化工机械.2010（5）.