Wall Thickness Calculation of Torispherical Head Under Internal Pressure
 
  ASME Section VIII Div 1 - Appendix 1-4 - Formulas for the Design of Heads Formed Under Internal Pressure (9)
  Appendix 1-4(d) Torispherical Heads
                                           
    (Enter values in yellow cells for calculations)
  DATA INPUT
                                                 
    Design Conditions     Material      
    Design Pressure, Pd =  psig Head Material Specification (1)(2)
   
                                                 
    Design Temperature, Td =  °F Allowable Stress Head (3), S =  psi  
                                                 
    Welding Efficiency, E =
  Dimensions      
See Table UW-12
Inside diameter of the head skirt, Di =  in.
Corrosion Allowance, CA =  in.
          Nominal wall thickness before forming (4), tn =
 in.  
          Minimum specified thickness after forming (5), tf =  in.  
          Minimum specified thickness after forming (5), tf =  in.  
          Inside knuckle radius (6), r =  in.  
Inside knuckle radius (r = 0.06Do) =
Inside knuckle radius (r = 3t) =
The inside knuckle radius shall be not less than 0.06Do but in no case less than 3t =
Outside diameter of the head skirt, Do =  in.
          Inside spherical or crown radius (7), L =   in.  
          Straight skirt length (8)(9), SK =  in.  
Check If tr ≤ tn
          Check If tr ≤ tf    
                                                 
    Notes:                                            
  (1) S ≤ 66.66% of σy @ temp.                                            
  (2) S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.                                            
  (3) As per ASME VIII-1 EndNote 90. Torispherical heads made of materials having a specified minimum tensile strength exceeding 70,000 psi (485 MPa) shall be designed using a value of S equal to 20,000 psi (138 MPa) at room temperature and reduced in proportion to the reduction in maximum allowable stress values at tempera ture for the material as shown in the appropriate table (see UG-23).  
  (4) It is recommended a nominal thickness before forming 15% higher than the minimum specified thickness to ensure after forming thickness is above it.  
  (5) As per UG-79 (d)(3) The reduction in weld thickness after forming shall not exceed 1/32 in. (1 mm) or 10% of the nominal thickness of the adjoining surface, whichever is less.  
  (6) As per UG-32 (i)  The inside crown radius to which an unstayed head is dished shall be not greater than the outside diameter of the skirt of the head. The inside knuckle radius of a torispherical head shall be not less than 6% of the outside diameter of the skirt of the head but in no case less than 3 times the head thickness.  
  (7) As per UG-32(k) All formed heads, thicker than the shell and concave to pressure, intended for butt welded attachment, shall have a skirt length sufficient to meet the requirements of Figure UW-13.1, when a tapered transition is required. All formed heads concave to pressure and intended for butt welded attachment need not have an integral skirt when the thickness of the head is equal to or less than the thickness of the shell. When a skirt is provided, its thickness shall be at least that required for a seamless shell of the same inside diameter.   
  (8) As per UG-32(l) Heads concave to pressure,intended for attachment by brazing, shall have a skirt length sufficient to meet the requirements for circumferential joints in Part UB.   
  (9) The equations of this paragraph provide for the design of formed heads of proportions other than those given in UG-32, in terms of inside and outside diameter.  
                                                 
                                               
  CALCULATIONS
                                                 
    Torispherical Head                                            
    with tf/L ≥ 0.002                                            
    Thickness after forming adjusted for corrosion, nt =  in.   nt = tf - CA                              
                                                 
    Inside spherical or crown radius adjusted for corrosion, Lc =  in.   Lc = L + CA                              
                                                 
    Inside knuckle radius adjusted for corrosion, rc =  in.   rc = r + CA                              
                                                 
    Ratio of the inside crown radius to the inside knuckle radius, Lc/rc  (10) =                                          
                                                 
    Factor M =     M = 1/4 (3 + ( Lc ) 0,5 )                
            rc                  
    Wall Thickness [APPENDIX 1-4(d)]                                            
    Minimum required thickness after forming, t =  in.   t = P Lc M                      
            2 S E - 0.2 P                      
                                                 
    Minimum required thickness after forming, tr =  in.   tr = P Lc M + CA                
            2 S E - 0.2 P                
                                                 
    Check If tr ≤ tf                                            
                                                 
    Maximum allowable working pressure  [APPENDIX 1-4(d)]                                            
    Maximum allowable working pressure for Torispherical Head, MAWP =  psig   MAWP = 2 S E nt                  
            Lc M + 0.2 nt                  
                                                 
    Check If MAWP ≥  P                                          
                                                 
    Check                                            
    Limitations: tf/L ≥ 0.002 tf/L ≥ 0.002                    
                                                 
    Volume & Weight Calculation                                             
    Inside radius of the head skirt, Ri =  in.   R = Di/2                              
    Inside spherical or crown radius, Li =  in.                                        
    Inside knuckle radius, ri =  in.                                        
    Li/Ri =                                          
    2ri/Ri =                                          
    Coefficient Ki =     K i =  Li  -  [(  Li - 1 )(  Li + 1 - 2ri )] 0,5      
            Ri Ri Ri Ri        
                                                 
    Outside radius of the head skirt, Ro =  in.   R = Do/2                              
    Outside spherical or crown radius, Lo =  in.                                        
    Outside knuckle radius, ro =  in.                                        
    Lo/Ro =                                          
    2ro/Ro =                                          
    Coefficient Ko =     Ko =  Lo  -  [(  Lo - 1 )(  Lo + 1 - 2ro )] 0,5      
            Ro Ro Ro Ro        
                                                 
    Inside Volume, Vi =  ft³   Vi = ( π Di³ Ki + π Di² SK ) /  1728        
            12 4        
                                                 
    Outside Volume, Vo =  ft³   Vo = ( π Do³ Ko + π Do² SK ) /  1728        
            12 4        
                                                 
    Weight =  lbs   W = (Vo - Vi) ρm                        
                                                 
    Note:                                            
  (10) As per note 1 in Table 1-4.2,  L/r = 16,66 is the maximum ratio allowed by UG-32(i) when L equals the outside diameter of the skirt of the head.  
                                                 
                                             
  RESULT
    Design Conditions                                          
Design Pressure, Pd =  psig
Design Temperature, Td =  °F
    Material                                            
    Head Material                                           
    Dimensions                                            
Outside diameter of the head skirt, Do =  in.
Nominal wall thickness before forming, tn =  in.
    Thickness after forming, tf =  in.                                        
Inside spherical or crown radius, L =  in.
Inside knuckle radius, r =  in.
Maximum allowable working pressure, MAWP =  psig
Inside Volume =  ft³
Outside Volume =  ft³
Weight =  lbs
                                                 
                                       
    Discussion and References  
    Information about Wall Thickness Calculation of Torispherical Head Under Internal Pressure    
    ASME Section VIII Div 1 Appendix 1-4(d)    
    Standards, Paragraph & Appendix  
  - ASME BPVC.VIII.1  Rules for Construction of Pressure Vessels    
  - ASME BPVC SEC II-D Material Properties    
  - ASME Section VIII Div 1 Appendix 1-4  Formulas for the Design of Formed Heads Under Internal Pressure    
       
    Torispherical Head with ts/L ≥ 0.002    
                                         
      Scan_Pic0004                                  
                                         
                                         
                                         
                                         
                                         
                                         
                                         
                                         
                                         
    Minimum required thickness [ASME VIII APP 1-4(d)]    
      t = P L M                          
      2 S E - 0.2 P                          
    Internal design pressure [APP 1-4(d)]    
      P = 2 S E t                          
      L M + 0.2 t                          
    Where:    
    P: Design Pressure, in barg (psig)    
    S: Allowable Stress, in MPa (psi)    
    E: Welding Efficiency    
    L: Inside crown radius not greater than the outside diameter of the skirt, in mm (inches)    
    M: a factor in the equations for torispherical heads depending on the head    
         proportion L/r                   
      M = 1/4 (3  + ( L ) 0,5 )                  
      r                      
    t:  Minimum required thickness of head after forming, in mm (inches)    
    ts:  Minimum specified thickness of head after forming, en mm (in.) ts shall be ≥ t    
    r = inside knuckle radius, in mm (inches)    
    Feactures    
    - High Availability
- Limitations: ts/ L ≥ 0.002, L ≤ D+2t, r ≥ 0.06*(D+2t)
- For t calculation will be considered L = D
- For heads with ts/L < 0.002, see Appendix. 1-4 (f)
   
    - Torispherical heads made of materials having a specified minimum tensile strength exceeding 70,000 psi (485 MPa) shall be designed using a value of S equal to 20,000 psi (138 MPa) at room temperature and reduced in proportion to the reduction in maximum allowable stress values at temperature for the material (see UG-23).     
                                         
                                                                                                                         
DATA INPUT DESIGN
TEMP  ᵒF
DESIGN
TEMP  ᵒF
                                                                                                           
MATERIAL                                                                                                                  
DENSITY Lbs/ft³
MAX DESIGN TEMP  ᵒF
DESIGN TEMP  ᵒF
MIN DESIGN TEMP  ᵒF
BASIC ALLOWABLE STRESS, S. PSI, AT METAL TEMPERATURE, °F
AT MAX METAL TEMPERATURE, °F  psi
AT METAL TEMPERATURE, °F  psi
AT MIN METAL TEMPERATURE, °F  psi
                                                                                                                     
                                                                                                                     
ASME B31.3-2016
Table A-1   Basic Allowable Stresses in Tension for Metals
Numbers in Parentheses Refer to Notes for Appendix A Tables; Specifications Are ASTM Unless Otherwise Indicated
Specified
Basic Allowable Stress, S, ksi, at Metal Temperature, °F [Note (1)]
Min.
Min.
Strength, ksi
Temp. to
Spec. No. / Type/Grade
Tensile Yield Density 100 150 200 250 300 400 500 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 1600 1650
45 24 12,9 12,9 12,9 12,9 12,9 12,9 12,9 12,3 11,9 11,5 10,7 9,2 7,9 5,9
50 27 14,3 14,3 14,3 14,3 14,3 14,3 14,3 13,8 13,3 12,5 11,2 9,6 8,1 5,9
55 30 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,3 14,8 14,3 13,0 10,8 8,7 5,9
58 36 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 15,6
60 32 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 16,4 15,8 15,3 13,0 10,8 8,7 5,9 4,0 2,5
60 32 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 16,4 15,8 15,3 13,0 10,8 8,7 5,9 4,0 2,5
65 35 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 17,9 17,3 16,7 13,9 11,4 8,7 5,9 4,0 2,5
65 35 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 17,9 17,3 16,7 13,9 11,4 8,7 5,9 4,0 2,5
70 38 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 19,4 18,8 18,1 14,8 12,0 9,3 6,7 4,0 2,5
70 38 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 19,4 18,8 18,1 14,8 12,0 9,3 6,7 4,0 2,5
65 37 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 18,6 18,4 17,9 13,7 8,2 4,8
70 40 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 19,9 19,3 13,7 8,2 4,8
75 43 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4 20,7 13,7 8,2 4,8
60 30 17,1 17,1 17,1 16,9 16,6 16,5 16,4 16,2 15,9 15,6 15,1 14,5 13,8 10,9 8,0 5,8 4,2 2,9 1,8 1,0
75 45 21,4 21,4 21,4 21,1 20,8 20,6 20,5 20,2 19,9 19,5 18,9 18,2 14,3 10,9 8,0 5,8 4,2 2,9 1,8 1,0
60 35 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 17,1 16,8 16,4 13,7 9,3 6,3 4,2 2,8 1,9 1,2
75 45 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4 21,4 20,2 13,7 9,3 6,3 4,2 2,8 1,9 1,2
55 33 15,7 15,6 15,4 15,3 15,1 15,1 15,1 15,1 15,1 15,1 15,1 15,1 15,1 14,7 11,3 7,2 4,5 2,8 1,8 1,1
65 40 18,6 18,6 18,2 18,0 17,9 17,9 17,9 17,9 17,9 17,9 17,9 17,9 17,9 17,4 11,3 7,2 4,5 2,8 1,8 1,1
60 30 17,1 17,1 17,1 16,9 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,0 12,0 9,0 7,0 5,5 4,0 2,7 1,5
75 45 21,4 21,4 21,4 21,2 20,9 20,6 20,5 20,4 20,2 20,0 19,7 19,3 18,1 13,1 9,5 6,8 4,9 3,2 2,4 1,3
60 30 17,1 17,1 17,1 16,9 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 16,6 13,6 10,8 8,0 5,7 3,8 2,4 1,4
75 45 21,4 21,4 21,4 21,2 20,9 20,6 20,5 20,4 20,2 20,0 19,7 19,3 18,7 15,8 11,4 7,8 5,1 3,2 2,0 1,2
65 30 18,6 18,5 18,4 18,1 17,8 17,4 17,2 16,8 16,6 16,2 15,7 15,1 14,4 12,3 8,8 6,4 4,4 2,9 1,8 1,0
60 30 17,1 17,1 17,1 17,0 16,8 16,5 16,3 15,9 15,6 15,2 14,7 14,1 13,4 12,3 8,8 6,4 4,4 2,9 1,8 1,0
65 30 18,6 18,5 18,4 18,1 17,8 17,4 17,2 16,8 16,6 16,2 15,7 15,1 14,4 12,0 9,2 6,5 4,5 3,2 2,4 1,8
(S ≤ 66.66% of σy @ temp.) 75 30 20,0 18,4 16,7 15,9 15,0 13,8 12,9 12,3 12,0 11,7 11,5 11,2 11,0 10,8 10,6 10,4 10,1 9,8 7,7 6,1 4,7 3,7 2,9 2,3 1,8 1,4
(S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.) 75 30 20,0 20,0 20,0 19,5 18,9 18,3 17,5 16,6 16,2 15,8 15,5 15,2 14,9 14,6 14,3 14,0 12,4 9,8 7,7 6,1 4,7 3,7 2,9 2,3 1,8 1,4                                                      
(S ≤ 66.66% of σy @ temp.) 70 25 16,7 15,5 14,3 13,6 12,8 11,7 10,9 10,4 10,2 10,0 9,8 9,7 9,5 9,3 9,1 7,8 6,3 5,1 4,0 3,2
(S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.) 70 25 16,7 16,7 16,7 16,7 16,7 15,8 14,7 14,0 13,7 13,5 13,3 13,0 12,8 11,9 9,9 7,8 6,3 5,1 4,0 3,2                                                      
(S ≤ 66.66% of σy @ temp.) 75 30 20,0 18,4 16,7 15,9 15,0 13,8 12,9 12,3 12,0 11,7 11,5 11,2 11,0 10,8 10,6 10,4 10,1 9,8 7,7 6,1 4,7 3,7 2,9 2,3 1,8 1,4
(S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.) 75 30 20,0 20,0 20,0 19,5 18,9 18,3 17,5 16,6 16,2 15,8 15,5 15,2 14,9 14,6 14,3 14,0 12,4 9,8 7,7 6,1 4,7 3,7 2,9 2,3 1,8 1,4                                                      
(S ≤ 66.66% of σy @ temp.) 75 30 20,0 18,7 17,3 16,5 15,6 14,3 13,3 12,6 12,3 12,1 11,9 11,8 11,6 11,5 11,4 11,3 11,2 11,1 9,8 7,4 5,5 4,1 3,1 2,3 1,7 1,3
(S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.) 75 30 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 19,3 18,0 17,0 16,6 16,3 16,1 15,9 15,7 15,6 15,4 15,3 15,1 12,4 9,8 7,4 5,5 4,1 3,1 2,3 1,7 1,3                                                      
(S ≤ 66.66% of σy @ temp.) 70 25 16,7 15,5 14,2 13,5 12,7 11,7 10,9 10,4 10,2 10,0 9,8 9,6 9,4
(S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.) 70 25 16,7 16,7 16,7 16,7 16,7 15,7 14,8 14,0 13,7 13,5 13,2 12,9 12,7                                                      
(S ≤ 66.66% of σy @ temp.) 75 30 20,0 18,7 17,3 16,5 15,6 14,3 13,3 12,6 12,3 12,1 11,9 11,8 11,6 11,5 11,4 11,3 11,2 11,1 9,8 7,4 5,5 4,1 3,1 2,3 1,7 1,3
(S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.) 75 30 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 19,3 18,0 17,0 16,6 16,3 16,1 15,9 15,7 15,6 15,4 15,3 15,1 12,4 9,8 7,4 5,5 4,1 3,1 2,3 1,7 1,3                                                      
(S ≤ 66.66% of σy @ temp.) 75 30 20,0 18,8 17,5 16,8 16,1 15,1 14,4 13,9 13,7 13,5 13,3 13,1 12,9 12,7 12,5 9,9 7,1 5,0 3,6 2,5 1,5 0,8 0,5 0,4 0,30 0,20
(S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.) 75 30 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 19,4 18,8 18,5 18,2 18,0 17,7 17,5 17,2 15,9 9,9 7,1 5,0 3,6 2,5 1,5 0,7 0,4 0,3 0,26 0,17                                                      
(S ≤ 66.66% of σy @ temp.) 75 30 20,0 18,8 17,5 16,8 16,1 15,1 14,4 13,9 13,7 13,5 13,3 13,1 12,9 12,7 12,5 12,3 10,3 7,6 5,5 4,0 3,0 1,9 1,4 1,1 0,82 0,64
(S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.) 75 30 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 19,4 18,8 18,5 18,2 18,0 17,7 17,5 17,2 16,9 13,8 10,3 Z6 5,5 4,0 3,0 1,9 1,4 1,1 0,82 0,64                                                      
(S ≤ 66.66% of σy @ temp.) 75 30 20,0 18,8 17,6 16,9 16,1 15,1 14,3 13,7 13,5 13,3 13,1 12,9 12,7 12,5 12,3 9,9 7,1 5,0 3,6 2,5 1,5 0,8 0,5 0,4 0,30 0,20
(S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.) 75 30 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 19,9 19,3 18,5 18,2 17,9 17,7 17,4 17,2 16,9 15,9 9,9 7,1 5,0 3,6 2,5 1,5 0,8 0,5 0,4 0,30 0,20                                                      
(S ≤ 66.66% of σy @ temp.) 75 30 20,0 18,8 17,6 16,9 16,1 15,1 14,3 13,7 13,5 13,3 13,1 12,9 12,7 12,5 12,3 12,1 10,3 7,6 5,5 4,0 3,0 2,2 1,7 1,3 0,97 0,75
(S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.) 75 30 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 19,9 19,3 18,5 18,2 17,9 17,7 17,4 17,2 16,9 16,7 13,8 10,3 7,6 5,5 4,0 3,0 2,2 1,7 1,3 0,97 0,75                                                      
(S ≤ 66.66% of σy @ temp.) 75 30 20,0 18,7 17,3 16,5 15,6 14,3 13,3 12,6 12,3 12,1 11,9 11,8 11,6 11,5 11,4 11,3 11,2 11,1 9,8 7,4 5,5 4,1 3,1 2,3 1,7 1,3
(S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.) 75 30 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 19,3 18,0 17,0 16,6 16,3 16,1 15,9 15,7 15,6 15,4 15,3 15,1 12,4 9,8 7,4 5,5 4,1 3,1 2,3 1,7 1,3                                                      
(S ≤ 66.66% of σy @ temp.) 75 30 20,0 18,5 17,0 16,1 15,2 14,0 13,1 12,5 12,2 12,0 11,7 11,5 11,3
(S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.) 75 30 20,0 20,0 20,0 19,8 19,6 18,9 17,7 16,9 16,5 16,2 15,8 15,5 15,2                                                      
(S ≤ 66.66% of σy @ temp.) 75 30 20,0 19,0 18,0 17,3 16,5 15,3 14,3 13,5 13,2 13,0 12,7 12,6 12,4 12,3 12,1 12,0 9,6 6,9 5,0 3,6 2,6 1,7 1,1 0,80 0,50 0,30
(S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.) 75 30 20,0 20,0 20,0 19,6 19,1 18,7 18,7 18,3 17,9 17,5 17,2 16,9 16,7 16,5 16,4 14,9 9,6 6,9 5,0 3,6 2,6 1,7 1,1 0,80 0,50 0,30                                                      
(S ≤ 66.66% of σy @ temp.) 75 30 20,0 19,0 18,0 17,3 19,1 18,7 18,7 18,3 17,9 17,5 17,2 16,9 16,7 16,5 16,4 16,2 12,3 9,1 6,9 5,4 4,1 3,2 2,5 1,9 1,5 1,1
(S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.) 75 30 20,0 20,0 20,0 19,6 16,5 15,3 14,3 13,5 13,2 13,0 12,7 12,6 12,4 12,3 12,1 12,0 11,9 9,1 6,9 5,4 4,1 3,2 2,5 1,9 1,5 1,1                                                      
(S ≤ 66.66% of σy @ temp.) 75 30 20,0 19,2 18,4 17,8 17,1 16,0 15,0 14,3 14,0 13,8 13,7 13,6 13,5 13,4 16,6 16,0 12,1 9,1 6,1 4,4 3,3 2,2 1,5 1,2 0,90 0,80
(S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.) 75 30 20,0 20,0 20,0 19,4 18,8 17,8 17,2 16,9 16,8 16,8 16,8 16,8 16,8 16,7 13,4 13,4 12,1 9,1 6,1 4,4 3,3 2,2 1,5 1,2 0,90 0,80                                                      
(S ≤ 66.66% of σy @ temp.) 75 30 20,0 19,2 18,4 17,8 17,1 16,0 15,0 14,3 14,0 13,8 13,7 13,6 13,5 13,4 13,4 13,4 13,4 13,3 10,5 7,9 5,9 4,4 3,2 2,5 1,8 1,3
(S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.) 75 30 20,0 20,0 20,0 19,4 18,8 17,8 17,1 16,9 16,8 16,8 16,8 16,8 16,8 16,7 16,6 16,4 16,2 14,1 10,5 7,9 5,9 4,4 3,2 2,5 1,8 1,3                                                      
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