Les récipients à pression utilisent généralement quatre types de têtes: hémisphériques (Hemi), semi-elliptiques (SE), flangées et platées (F & D) et plates. Dans cette analyse, chaque tête est considérée comme étant fixée à une coquille cylindrique, avec leurs diamètres intérieurs (ID) correspondent au cylindre; s. L'épaisseur de la paroi pour chaque tête est ajustée pour répondre au cylindre' s 420 psi pression de conception. Les calculs détaillés peuvent être consultés via le lien ci-dessous.

Les résultats comprennent l'épaisseur de la paroi, la hauteur globale, le volume interne et le poids d'une seule tête, en tenant compte de toutes les brides droites le cas échéant:

Tête hémisphérique (Hemi)

La tête hémisphérique présente une géométrie radiale simple, avec une profondeur égale à la moitié de son diamètre. Pour une tête de diamètre intérieur (ID) de 47 po, l'épaisseur de paroi requise est de 0,2474 po, soit environ la moitié de l'épaisseur de la coquille cylindrique. Étant donné que la tête est plus mince que la coque, un cônissage 3:1 conforme au code ASME standard est appliqué à la transition. Cette conique fait partie de la tête plus forte, tandis que la coquille cylindrique maintient sa pleine épaisseur le long de la section droite pour la résistance.

Les têtes hémisphériques ne sont généralement pas formées à partir d'une plaque plate mais sont au lieu de cela fabriquées à partir de segments soudés. Cela en fait le type de tête le plus mince mais parfois le plus cher. Ils sont couramment utilisés dans les applications à haute pression ou de grand diamètre où les économies de matériaux sont critiques. De plus, deux têtes hémisphériques jointes de dos en dos créent une sphère de stockage, la forme la plus efficace pour le stockage sous pression.

Tête semi-elliptique (SE)

La tête semi-elliptique a une forme elliptique, le rapport le plus commun étant 2:1, où la largeur de l'ellipse est deux fois sa profondeur. En pratique, les fabricants utilisent souvent trois rayons pour approximation de l'ellipse: un grand rayon à la couronne, un petit rayon au bord extérieur et un rayon intermédiaire entre. Les règles du code ASME spécifient à quel point la tête fabriquée doit s'approcher d'une vraie ellipse.

Pour une tête 2:1 SE, la profondeur est d'un quart du diamètre, ce qui la rend plus peu profonde qu'une tête hémisphérique mais plus profonde que les têtes à bride et à plat (F & amp; D) ou plates. Cette tête peut être formée à partir d'une plaque plate, ce qui en fait l'une des options les plus économiques pour les récipients à basse pression.

Bien que moins efficace que la tête hémisphérique dans la gestion des contraintes, les têtes SE nécessitent un peu plus d'épaisseur. Par example, l'épaisseur requise pour une tête SE 2:1 dans ce cas est de 0,4947" légèrement inférieure à l'épaisseur de la coquille cylindrique de 0,500".

Flanged et Dished Head (F&D)

Les têtes à bride et à plat sont couramment utilisées dans les applications à pression modérée où il est important de minimiser la hauteur. Dans cette conception, le rayon de la couronne est égal au diamètre extérieur du cylindre (48 po), et la manchette a un rayon serré de 2,973 po. Cela se traduit par une tête de profil inférieur à la tête semi-elliptique. Cependant, le rayon serré de l'articulation induit des contraintes de formation élevées, nécessitant un traitement thermique post-formation pour soulager les contraintes.

Le F& D tête nécessite une paroi plus épaisse que le cylindre, avec une épaisseur requise de 0,8901 ". Une conique standard 3:1 sur la section droite de la bride de la tête gère la transition, car la portion de bride ne doit correspondre qu'à l'épaisseur de 0,500" du cylindre. Pour des pressions aussi élevées que 420 psi, les têtes SE sont généralement préférées à moins que les contraintes de hauteur ne dictent autrement.

Tête plate

La tête plate est la conception la moins efficace, car elle résiste à la pression principalement par flexion, ce qui entraîne des exigences de matériaux significativement plus élevées. Dans ce cas, l'épaisseur requise est de 3,9120 ", ce qui la rend beaucoup plus lourde que d'autres types de têtes. Les têtes plates sont généralement utilisées lorsque la surface interne plate est essentielle au processus.

Plusieurs méthodes alternatives réduisent le poids des têtes plates:

1. Plaque plate avec renforts : des tiges ou des anneaux reliant la plaque à un SE ou F& D tête, avec la tête portant la charge.
2. Sols en béton : Verser un sol plat en béton dans un SE ou F& La tête D réduit l'utilisation de l'acier mais augmente le poids global.
3. Poutres externes : Les plaques minces sont soutenues par des poutres externes à travers le navire' largeur s.
4. Restez des tiges ou des tubes : Les plaques minces sont renforcées par des tiges de maintien s'étendant à travers le récipient.
5. Les tiges de séjour diagonales : liés à la coquille, ils sont couramment vus dans les chaudières.

Analyse de stress avec analyse à éléments finis (FEA)

Cylindre et tête Hemi Tresca Tensions

Les formules de code ASME VIII-1 pour les cylindres et les têtes hémisphériques sont faciles à dériver. Pour le cylindre de 0,5 po d’épaisseur, la contrainte calculée atteint la limite de conception de 20 000 psi. FEA utilisant l'analyse de contrainte Tresca donne une valeur légèrement plus élevée de 20 484 psi.

De même, la tête hémisphérique de 0,2474 po d'épaisseur atteint une contrainte Tresca de 20 364 psi, correspondant étroitement à la valeur cible. Ces résultats confirment que le cylindre et la tête hémisphérique répondent aux exigences de contrainte de conception avec une excellente précision.

La tension dans la zone de discontinuité où la tête rencontre la coquille est plus élevée, atteignant 23 060 psi. Les règles du code ASME Section VIII, Division 2 (VIII-2) permettent des augmentations localisées de contraintes sur de petites distances, à condition qu'elles restent dans des limites spécifiées. Dans ce cas, les niveaux de stress sont considérés comme acceptables. En revanche, les règles de la Section VIII, Division 1 (VIII-1) de l'ASME ne tiennent pas compte de ces contraintes localisées au-delà de l'exigence d'un décroissement 3:1. Cependant, l'expérience pratique montre que cette approche est fiable.

Cylindre et tête Hemi von Mises Tensions

L'analyse de contraintes de Tresca montre une corrélation étroite entre les valeurs de contraintes prédites par les formules de code VIII-1 et celles obtenues par l'analyse à éléments finis (FEA) en vertu des lignes directrices VIII-2 pour le cylindre et la tête hémisphérique. Cependant, l'ASME VIII-2 est passée de l'utilisation du critère Tresca (stress P1-P3) à la formulation de stress de von Mises, fournissant une représentation plus complète du comportement de stress.

Tension de von Mises dans le cylindre et la tête hemi – la tension du cylindre est maintenant 12% en dessous du code VIII-1