Los vasos a presión utilizan comúnmente cuatro tipos de cabezales: hemisféricos (Hemi), semielípticos (SE), flanjados y platos (F & amp; D) y planos. En este análisis, se considera que cada cabeza está unida a una carcasa cilíndrica, con sus diámetros interiores (ID) que coinciden con el cilindro; s. El grosor de la pared para cada cabeza se ajusta para satisfacer el cilindro' s 420 psi presión de diseño. Los cálculos detallados se pueden acceder a través del enlace proporcionado a continuación.

Los resultados incluyen el grosor de la pared, la altura general, el volumen interno y el peso de una sola cabeza, factorizando cualquier brida recta cuando sea aplicable:

Cabeza Hemisférica (Hemi)

La cabeza hemisférica presenta una simple geometría radial, con una profundidad igual a la mitad de su diámetro. Para una cabeza con un diámetro interior (ID) de 47", el grosor de pared requerido es de 0,2474", que es aproximadamente la mitad del grosor de la carcasa cilíndrica. Dado que la cabeza es más delgada que la carcasa, se aplica un cónico 3:1 conforme al código ASME estándar en la transición. Este cónico es parte de la cabeza más fuerte, mientras que la carcasa cilíndrica mantiene su grosor completo a lo largo de la sección recta para la resistencia.

Los cabezales hemisféricos típicamente no están formados a partir de una placa plana sino que en su lugar están fabricados a partir de segmentos soldados. Esto los hace el tipo de cabeza más delgado pero a veces el más caro. Se usan comúnmente en aplicaciones de alta presión o de gran diámetro donde el ahorro de materiales es crítico. Además, dos cabezas hemisféricas unidas de espalda a espalda crean una esfera de almacenamiento, la forma más eficiente para el almacenamiento a presión.

Cabeza semielíptica (SE)

La cabeza semielíptica tiene una forma elíptica, con la relación más común siendo 2:1, donde la anchura de la elipse es el doble de su profundidad. En la práctica, los fabricantes a menudo usan tres radios para aproximar la elipse: un radio grande en la corona, un radio pequeño en el borde externo y un radio intermedio en el medio. Las reglas del código ASME especifican cuán cerca debe aproximarse la cabeza fabricada a una elipse verdadera.

Para una cabeza 2:1 SE, la profundidad es una cuarta parte del diámetro, lo que la hace más poco profunda que una cabeza hemisférica pero más profunda que las cabezas flanjadas y discontinuas (F & amp; D) o planas. Esta cabeza puede estar formada a partir de una placa plana, lo que la convierte en una de las opciones más económicas para recipientes de baja presión.

Aunque es menos eficiente que la cabeza hemisférica en el manejo de tensiones, las cabezas SE requieren un poco más de grosor. Por ejemplo, el grosor requerido para una cabeza SE 2:1 en este caso es 0,4947", ligeramente menor que el grosor de 0,500" de la carcasa cilíndrica.

Cabeza con brida y plato (F&D)

Los cabezales con bridas y discos se usan comúnmente en aplicaciones de presión moderada donde es importante minimizar la altura. En este diseño, el radio de la corona es igual al diámetro exterior del cilindro (48"), y el nudillo tiene un radio apretado de 2.973". Esto da como resultado una cabeza con un perfil más bajo que la cabeza semielíptica. Sin embargo, el radio apretado del nudillo induce altas tensiones de formación, lo que requiere tratamiento térmico post-formación para aliviar la tensión.

El F& La cabeza D requiere una pared más gruesa que el cilindro, con un grosor requerido de 0,8901". Un cónico estándar de 3:1 en la sección de brida recta de la cabeza maneja la transición, ya que la porción de brida solo necesita coincidir con el grosor de 0,500" del cilindro. Para presiones de hasta 420 psi, se prefieren típicamente cabezales SE a menos que las restricciones de altura dicten lo contrario.

Cabeza plana

La cabeza plana es el diseño menos eficiente, ya que resiste la presión principalmente a través de la flexión, lo que resulta en requisitos de material significativamente más altos. En este caso, el grosor requerido es de 3,9120”, lo que lo hace mucho más pesado que otros tipos de cabezales. Los cabezales planos se usan generalmente cuando una superficie interna plana es esencial para el proceso.

Varios métodos alternativos reducen el peso de las cabezas planas:

1. Placa plana con refuerzosLas varillas o anillos conectan la placa a un SE o F& D cabeza, con la cabeza que soporta la carga.
2. Pisos de hormigón : Verter un piso plano de hormigón en un SE o F& La cabeza D reduce el uso de acero pero aumenta el peso general.
3. Vigas externas : Las placas delgadas están soportadas por vigas externas a través del recipiente' anchura s.
4. Varas o tubos de permanenciaLas placas delgadas están reforzadas por barras de permanencia que se extienden a través del recipiente.
5. Varillas de estancia diagonalesAtados a la carcasa, estos se ven comúnmente en calderas.

Análisis de estrés con análisis de elementos finitos (FEA)

Tensiones Tresca de cilindro y cabeza de hemi

Las fórmulas de código ASME VIII-1 para cilindros y cabezales hemisféricos son fáciles de derivar. Para el cilindro de 0,5" de grosor, la tensión calculada alcanza el límite de diseño de 20.000 psi. FEA usando el análisis de tensión Tresca produce un valor ligeramente más alto de 20.484 psi.

Del mismo modo, la cabeza hemisférica de 0,2474" de grosor logra una tensión Tresca de 20.364 psi, que coincide estrechamente con el valor objetivo. Estos resultados confirman que tanto el cilindro como la cabeza hemisférica cumplen los requisitos de tensión de diseño con excelente precisión.

La tensión en la zona de discontinuidad donde la cabeza se encuentra con la carcasa es mayor, alcanzando 23.060 psi. Las reglas de código ASME Sección VIII, División 2 (VIII-2) permiten aumentos de tensión localizados a distancias pequeñas, siempre que permanezcan dentro de límites especificados. En este caso, los niveles de estrés se consideran aceptables. Por el contrario, las reglas de la Sección VIII, División 1 (VIII-1) de ASME no tienen en cuenta estas tensiones localizadas más allá de requerir una reducción de 3:1. Sin embargo, la experiencia práctica demuestra que este enfoque es fiable.

Cilindro y cabeza Hemi von Mises

El análisis de tensión de Tresca muestra una estrecha correlación entre los valores de tensión predichos por las fórmulas de código VIII-1 y los obtenidos a través del análisis de elementos finitos (FEA) bajo las directrices VIII-2 tanto para el cilindro como para la cabeza hemisférica. Sin embargo, ASME VIII-2 ha pasado del uso del criterio Tresca (estrés P1-P3) a la formulación de estrés de von Mises, proporcionando una representación más completa del comportamiento de estrés.

Tensión de von Mises en el cilindro y la cabeza hemi – la tensión del cilindro está ahora un 12% por debajo del código VIII-1