Суды под давлением обычно используют четыре типа головок: полушарные (Hemi), полуэллиптические (SE), фланцевые и посудовые (F&D) и плоские. В этом анализе каждая головка считается прикрепленной к цилиндрической оболочке, при этом их внутренние диаметры (ID) соответствуют цилиндру; с. Толщина стены для каждой головки регулируется для того, чтобы встретить цилиндр' с 420 пси конструкционное давление. Подробные расчеты можно получить по ссылке, приведенной ниже.

Результаты включают толщину стенки, общую высоту, внутренний объем и вес одной головки, учитывая любые прямые фланцы, когда это применимо:

Полусферная голова (Hemi)

Полусферическая головка имеет простую радиальную геометрию, с глубиной, равной половине ее диаметра. Для головки с 47" внутренним диаметром (ID), требуемая толщина стенки составляет 0,2474", что составляет около половины толщины цилиндрической оболочки. Поскольку головка тоньше оболочки, при переходе применяется конус 3:1 в соответствии со стандартным кодом ASME. Этот конус является частью более прочной головки, в то время как цилиндрическая оболочка сохраняет свою полную толщину вдоль прямого сечения для прочности.

Полусферические головки обычно не образуются из плоской пластины, а вместо этого изготовлены из сварных сегментов. Это делает их самым тонким, но иногда и самым дорогим типом головы. Они обычно используются в приложениях высокого давления или больших диаметров, где экономия материалов имеет решающее значение. Кроме того, две полушарические головки, соединенные спиной к спине, создают сферу хранения, наиболее эффективную форму для хранения под давлением.

Полуэллиптическая головка (SE)

Полуэллиптическая голова имеет эллиптическую форму, при этом наиболее распространенным соотношением является 2:1, где ширина эллипса в два раза больше ее глубины. На практике изготовители часто используют три радиуса для приближения эллипса: большой радиус на короне, небольшой радиус на внешнем краю и промежуточный радиус между ними. Правила кода ASME определяют, насколько близко изготовленная головка должна приблизиться к истинному эллипсу.

Для головки 2:1 SE глубина составляет четверть диаметра, что делает ее более мелкой, чем полушарическая головка, но глубже, чем фланцевая и пластинная (F&D) или плоская головка. Эта головка может быть сформирована из плоской пластины, что делает ее одним из самых экономичных вариантов для сосудов низкого давления.

Хотя менее эффективны, чем полушарическая головка в обращении с напряжениями, головки SE требуют немного большей толщины. Например, требуемая толщина для головки SE 2:1 в этом случае составляет 0,4947 ", чуть меньше толщины цилиндрической оболочки в размере 0,500".

Фланцевая и посудовая головка (F&D)

Фланцевые и посудовые головки обычно используются в приложениях с умеренным давлением, где важно минимизировать высоту. В этой конструкции радиус короны равен внешнему диаметру цилиндра (48 дюймов), а кладка имеет плотный радиус 2,973 дюйма. Это приводит к голове с более низким профилем, чем полуэллиптическая голова. Тем не менее, тесный радиус клейка вызывает высокие формационные напряжения, требующие термической обработки после формации для облегчения напряжения.

F& Глава D требует более толстой стенки, чем цилиндр, с необходимой толщиной 0,8901". Стандартный конус 3:1 на прямой части фланца головки обеспечивает переход, поскольку часть фланца должна соответствовать толщине цилиндра в 0,500 дюйма. Для давлений до 420 пси, SE головки обычно предпочтительны, если только ограничения высоты не диктуют иное.

Плоская голова

Плоская головка является наименее эффективной конструкцией, поскольку она сопротивляется давлению в первую очередь через изгиб, что приводит к значительно более высоким требованиям к материалам. В этом случае требуемая толщина составляет 3,9120 ", что делает ее намного тяжелее, чем другие типы головок. Плоские головки обычно используются, когда для процесса необходима плоская внутренняя поверхность.

Несколько альтернативных методов снижения веса плоских головок:

1. Плоская пластина с усилениями : Связочные прутники или кольца соединяют пластину с SE или F& D голова, с головой, несущей нагрузку.
2. Бетонные полы : Лить плоский бетонный пол в SE или F& Глава D уменьшает использование стали, но увеличивает общий вес.
3. Внешние лучи : Тонкие пластины поддерживаются внешними балками по сосуду ' с шириной.
4. Останьтесь стержнями или трубками : Тонкие пластины усилены остатками, простирающимися по сосуду.
5. Диагональные пруты пребыванияПривязанные к оболочке, они обычно встречаются в котлах.

Анализ напряжения с помощью анализа конечных элементов (FEA)

Цилиндр и Hemi Head Tresca напряжения

Формулы кода ASME VIII-1 для цилиндров и полушарных головок просты для получения. Для цилиндра толщиной 0,5 дюйма расчетное напряжение достигает конструкционного предела 20 000 пси. FEA с использованием анализа напряжения Tresca дает немного более высокое значение 20 484 пси.

Аналогичным образом, полушарическая головка толщиной 0,2474 дюйма достигает напряжения Tresca 20,364 пси, что тесно соответствует целевому значению. Эти результаты подтверждают, что как цилиндр, так и полушарическая головка отвечают требованиям к конструкционному напряжению с отличной точностью.

Напряжение в зоне непрерывности, где головка встречает оболочку, выше, достигая 23 060 пси. Правила кода раздела VIII раздела 2 (VIII-2) ASME допускают локализованное увеличение напряжения на небольших расстояниях при условии, что они остаются в пределах определенных границ. В этом случае уровень стресса считается приемлемым. Напротив, правила раздела VIII раздела 1 (VIII-1) ASME не учитывают эти локализованные напряжения, кроме того, что требует конуса 3:1. Однако практический опыт показывает, что этот подход надежен.

Цилиндр и Hemi Head von Mises напряжения

Анализ напряжения Tresca показывает тесную корреляцию между значениями напряжения, предсказываемыми кодовыми формулами VIII-1, и значениями, полученными с помощью анализа конечных элементов (FEA) в соответствии с руководящими принципами VIII-2 как для цилиндра, так и для полушарической головки. Однако ASME VIII-2 перешла от использования критерия Tresca (стресс P1-P3) к формулировке стресса фон Мизеса, обеспечивая более всестороннее представление стрессового поведения.

Напряжение фон Мизеса в цилиндре и полуголовке – напряжение цилиндра теперь на 12% ниже кода VIII-1