Druckbehälter verwenden in der Regel vier Arten von Köpfen: Hemi (Hemi), Semi-Elliptic (SE), Flanged and Dished (F&D) und Flat. In dieser Analyse wird jeder Kopf als an einer zylindrischen Schale befestigt angesehen, wobei ihre Innendurchmesser (ID) dem Zylinder entsprechen; s. Die Wanddicke für jeden Kopf wird angepasst, um den Zylinder zu treffen; s 420 psi Konstruktionsdruck. Detaillierte Berechnungen können über den unten angegebenen Link abgerufen werden.

Die Ergebnisse umfassen die Wanddicke, die Gesamthöhe, das Innenvolumen und das Gewicht eines einzelnen Kopfes, wobei gegebenenfalls gerade Flansche berücksichtigt werden:

Hemisphärischer Kopf (Hemi)

Der halbkugelische Kopf weist eine einfache radiale Geometrie auf, mit einer Tiefe, die der Hälfte seines Durchmessers entspricht. Für einen Kopf mit einem 47" Innendurchmesser (ID) beträgt die erforderliche Wanddicke 0,2474", was etwa die Hälfte der Dicke der zylindrischen Schale entspricht. Da der Kopf dünner ist als die Schale, wird beim Übergang ein ASME-Code-konformer 3:1-Taper aufgetragen. Diese Konus ist Teil des stärkeren Kopfes, während die zylindrische Schale ihre volle Dicke entlang des geraden Abschnitts für Festigkeit behält.

Halbkugelköpfe sind typischerweise nicht aus einer flachen Platte gebildet, sondern sind stattdessen aus geschweißten Segmenten gefertigt. Dies macht sie zum dünnsten, aber manchmal auch zum teuersten Kopftyp. Sie werden häufig in Hochdruck- oder Großdurchmesseranwendungen verwendet, in denen Materialeinsparungen von entscheidender Bedeutung sind. Darüber hinaus schaffen zwei halbkugelische Köpfe, die hinten an hinten verbunden sind, eine Speicherkugel, die effizienteste Form für die Druckspeicherung.

Halblelliptischer Kopf (SE)

Der halblelliptische Kopf hat eine elliptische Form, wobei das häufigste Verhältnis 2:1 ist, wobei die Breite der Ellipse doppelt so tief ist. In der Praxis verwenden Hersteller oft drei Radien zur Annäherung der Ellipse: einen großen Radius an der Krone, einen kleinen Radius an der Außenrande und einen Zwischenradius dazwischen. ASME-Coderegeln geben fest, wie nah der gefertigte Kopf einer wahren Ellipse annähern muss.

Für einen 2:1 SE-Kopf beträgt die Tiefe ein Viertel des Durchmessers, was ihn flacher macht als einen halbkugelförmigen Kopf, aber tiefer als geflanschte und geschnittene (F & amp; D) oder flache Köpfe. Dieser Kopf kann aus einer flachen Platte gebildet werden, was ihn zu einer der wirtschaftlichsten Optionen für Niederdruckbehälter macht.

Obwohl weniger effizient als der Hemisphärenkopf bei der Handhabung von Spannungen, benötigen SE-Köpfe etwas mehr Dicke. Beispielsweise beträgt die erforderliche Dicke für einen 2:1 SE-Kopf in diesem Fall 0,4947" etwas weniger als die 0,500" Dicke der zylindrischen Schale.

Flansch- und Geschirrkopf (F&D)

Flansch- und Geschirrköpfe werden häufig in Anwendungen mit moderatem Druck verwendet, in denen eine Minimierung der Höhe wichtig ist. In diesem Design entspricht der Kronenradius dem Außendurchmesser des Zylinders (48"), und der Knockel hat einen engen Radius von 2,973". Dies führt zu einem Kopf mit einem niedrigeren Profil als der halblelliptische Kopf. Der enge Knockelradius induziert jedoch hohe Formspannungen, die eine Nachformwärmebehandlung zur Belastungsentlastung erfordern.

Die F& D-Kopf erfordert eine dickere Wand als der Zylinder, mit einer erforderlichen Dicke von 0,8901". Ein Standard-3:1-Konus am geraden Flanschabschnitt des Kopfes übernimmt den Übergang, da der Flanschabschnitt nur der 0,500" Dicke des Zylinders entsprechen muss. Bei Drücken bis zu 420 psi sind SE-Köpfe typischerweise bevorzugt, es sei denn, Höhenbeschränkungen diktieren etwas anderes.

Flacher Kopf

Der Flachkopf ist die am wenigsten effiziente Konstruktion, da er vor allem durch Biegen dem Druck widersteht, was zu erheblich höheren Materialanforderungen führt. In diesem Fall beträgt die erforderliche Dicke 3,9120“, was sie wesentlich schwerer macht als andere Kopftypen. Flache Köpfe werden in der Regel verwendet, wenn eine flache Innenfläche für den Prozess unerlässlich ist.

Mehrere alternative Methoden reduzieren das Gewicht von flachen Köpfen:

1. Flachplatte mit Verstärkungen : Krawattenstangen oder Ringe verbinden die Platte mit einem SE oder F& D Kopf, wobei der Kopf die Last trägt.
2. Betonboden: Ein flacher Betonboden in eine SE oder F& D-Kopf reduziert den Stahlverbrauch, erhöht aber das Gesamtgewicht.
3. Außenstrahlen : Dünne Platten werden durch äußere Balken über das Gefäß unterstützt' s Breite.
4. Bleiben Stäbe oder Röhre : Dünne Platten werden durch sich über das Gefäß erstreckende Haltstänge verstärkt.
5. Diagonale Aufenthaltsstänge : An die Schale gebunden, werden diese häufig in Kesseln gesehen.

Spannungsanalyse mit Finite Element Analysis (FEA)

Zylinder und Hemi Head Tresca Stresses

Die ASME VIII-1 Codeformeln für Zylinder und Hemisphärenkopfe sind einfach abzuleiten. Für den 0,5" dicken Zylinder erreicht die berechnete Spannung die Konstruktionsgrenze von 20.000 psi. FEA mit Tresca-Spannungsanalyse ergibt einen etwas höheren Wert von 20.484 psi.

Ebenso erreicht der 0,2474" dicke Halbkugelkopf eine Tresca-Belastung von 20.364 psi, die dem Zielwert eng entspricht. Diese Ergebnisse bestätigen, dass sowohl der Zylinder als auch der Hemisphärenkopf die Konstruktionsspannungsanforderungen mit ausgezeichneter Genauigkeit erfüllen.

Die Spannung in der Diskontinuitätszone, in der der Kopf auf die Schale trifft, ist höher und erreicht 23.060 psi. ASME Abschnitt VIII, Abteilung 2 (VIII-2) Code-Regeln erlauben lokalisierte Anstiege der Spannung über kleine Entfernungen, sofern sie innerhalb der festgelegten Grenzen bleiben. In diesem Fall gelten die Stressniveaus als akzeptabel. Im Gegensatz dazu berücksichtigen die ASME-Regeln Abschnitt VIII, Division 1 (VIII-1) diese lokalisierten Spannungen nicht außer der Notwendigkeit einer 3:1-Konus. Die praktische Erfahrung zeigt jedoch, dass dieser Ansatz zuverlässig ist.

Zylinder und Hemikopf von Mises Stresses

Die Tresca-Spannungsanalyse zeigt eine enge Korrelation zwischen den Spannungswerten, die durch VIII-1-Codeformeln vorhergesagt werden, und denen, die durch die Finite Element Analyse (FEA) unter VIII-2-Richtlinien sowohl für den Zylinder als auch für den Hemisphärenkopf erhalten werden. Allerdings hat ASME VIII-2 von der Verwendung des Tresca-Kriteriums (P1-P3-Stress) zur von Mises-Stressformulierung übergangen und bietet eine umfassendere Darstellung des Stressverhaltens.

Von Mises-Spannung im Zylinder und Hemikopf – die Zylinderspannung liegt nun 12% unter dem VIII-1-Code