Wall Thickness Calculation of Toriconical Heads Under Internal Pressure  
   
  ASME Section VIII Div 1 paragraph UG-32  Formed Heads, and Sections, Pressure On Concave Side    
  UG-32(g) Toriconical Heads and Sections (With Transition Knuckle)    
                                                                     
    (Enter values in yellow cells for calculations)  
  DATA INPUT  
                                                                         
    Design Conditions     Material        
    Design Pressure, Pd =  barg Toriconical Section Material Specification (1)(2)
     
                                                                         
    Design Temperature, Td =  °C Allowable Stress Toriconical Section, S  = MPa  
                                                                           
    Welding Efficiency, E =
  Dimensions        
See Table UW-12
Large End Inside Diameter, D =  mm
Small End Inside Diameter, d =  mm
Corrosion Allowance, CA =  mm
          Nominal wall thickness before forming (6), tn =
 mm  
    Undertolerance Allowance (3)(4)(5), U1 =  default value = 0                                                                
          Minimum specified thickness after forming (7), tf =  mm  
          Minimum required thickness Cone Section (Large End), tr =  mm  
                                                                           
          (Large End) Inside knuckle radius (8), R =  mm  
        Check inside knuckle radius is neither less than 6% of the outside diameter of the head skirt      
      Check inside knuckle radius of a torispherical head shall be not less than 3 times the knuckle thickness (tk)      
                                                                           
          (Small End) Inside knuckle radius (8), r =  mm  
        Check inside knuckle radius is neither less than 6% of the outside diameter of the head skirt      
      Check inside knuckle radius of a torispherical head shall be not less than 3 times the knuckle thickness (tk)      
                                                                           
          Outside diameter of the Large End, Do =  mm  
          Outside diameter of the Small End, do =  mm  
                                                                           
          Length of Conical Section, X =  mm  
                                                                           
                ( Large End) If tr ≤ tf acceptable      
                (Large End) If tkr ≤ tf acceptable      
                (Small End) If tr ≤ tf acceptable      
                (Small End) If tkr ≤ tf acceptable      
                                                                           
    Notes:                                                                      
  (1) S ≤ 66.66% of σy @ temp.    
  (2) S > 66.66% but < 90% of σy @ temp.    
  (3) As per UG-16(c) Mill Undertolerance. Plate material shall be ordered not thinner than the design thickness. Vessels made of plate furnished with an undertolerance of not more than the smaller value of 0.01 in. (0.25 mm) or 6% of the ordered thickness may be used at the full design pressure for the thickness ordered. If the specification to which the plate is ordered allows a greater undertolerance, the ordered thickness of the materials shall be sufficiently greater than the design thickness so that the thickness of the material furnished is not more than the smaller of 0.01 in. (0.25 mm) or 6% under the design thickness.     
  (4) As per UG-16(d) Pipe Undertolerance. If pipe or tube is ordered by its nominal wall thickness, the manufacturing undertolerance on wall thickness shall be taken into account except for nozzle wall reinforcement are a requirements in accordance with UG-37 and UG-40. The manufacturing undertolerances are given in the several pipe and tube specifications listed in the applicable Tables in Subsection C. After the minimum wall thickness is determined, it shall be increased by an amount sufficient to provide the manufacturing undertolerance allowed in the pipe or tube specification      
  (5) If you are ordering a head or other such fitting that is formed from plate, such as an elliptical, torispherical head, etc, you do not need to include the undertolerance. You do need to account for thinning during the forming of the head. Calculations should be done based on the minimum thickness after forming. The vendor of such heads should provide that information.    
  (6) It is recommended a nominal thickness before forming 15% higher than the minimum specified thickness to ensure after forming thickness is above it.    
  (7) 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.    
  (8) As per UG-32(g) Toriconical Heads and Sections. The required thickness of the conical portion of a toriconical head or section, in which the knuckle radius is neither less than 6% of the outside diameter of the head skirt nor less than three times the knuckle thickness.    
                                                                           
                                                                         
  CALCULATIONS  
                                                                           
    Toriconical Heads                                                                      
    Wall Thickness [ASME UG-32(g)]                                                                      
                                                                           
    Undertolerance thickness, U2 =    mm U2 = tn*U1                                                      
                                                                           
    Nominal thickness adjusted for corrosion and undertolerance, nt =  mm nt = tn-CA-U2                                                      
                                                                           
    Large End Inside diameter with corrosion & undertolerance removed, Dc =  mm Dc = D+2CA+2U2                                                    
                                                                           
    Small End Inside diameter with corrosion & undertolerance removed, dc =  mm dc = d+2CA+2U2                                                    
                                                                           
    One‐half of the included (apex) angle of the cone, α ≤ 30ᵒ =  deg. α  = arctan ( 0.5 (Dc - dc) )                                        
          X                                        
                                                                           
    (Large End) Inside knuckle radius with corrosion & undertolerance removed,Rc =  mm Rc = R+CA+U2                                                      
                                                                           
    (Small End) Inside knuckle radius with corrosion & undertolerance removed, rc =  mm rc = r+CA+U2                                                      
                                                                           
    (Large End) ID of the conical portion with corrosion & undertolerance removed, Di =  mm Di = Dc−2Rc(1−cos α)                                                
                                                                           
    (Small End) ID of the conical portion with corrosion & undertolerance removed, di =  mm di = dc−2rc(1−cos α)                                                
                                                                           
    Minimum required thickness (Large End), t =  mm t  = P Di                                        
          2 cos α (S E − 0.6 P)                                        
                                                                           
    Minimum required thickness (Large End), tr =  mm tr  = P Di + CA                                  
          2 cos α (S E − 0.6 P)                                  
    Minimum specified thickness after forming, tf =  mm                                                                  
                                                                             
    Check If tr ≤ tf (Large End)                                                                    
                                                                           
    Minimum required thickness (Small End), t =  mm t  = P di                                        
          2 cos α (S E − 0.6 P)                                        
                                                                           
    Minimum required thickness (Small End), tr =  mm tr  = P di + CA                                  
          2 cos α (S E − 0.6 P)                                  
    Minimum specified thickness after forming, tf =  mm                                                                  
                                                                           
    Check If tr ≤ tf (Small End)                                                                    
                                                                           
    Knuckle Thickness [ASME UG-32(g) & App 1-4(d)]                                                                      
                                                                           
    Inside spherical or crown radius (Large End), LL (9) =  mm LL  = Di                                                      
          2  x cos α                                                      
                                                                           
    Factor depending on the head proportion (Large End) L/rc, ML =   ML = 1 ( 3  +  (L/Rc)1/2  )                                            
          4                                            
                                                                           
    Minimum required knuckle thickness (Large End), tk =  mm tk  = P LL ML                                                  
          2 S E − 0.2 P                                                  
                                                                           
    Minimum required knuckle thickness (Large End), tkr =  mm tkr  = P LL ML + CA                                          
          2 S E − 0.2 P                                          
    Check If tkr ≤ tf (Large End)                                                                    
                                                                           
    Inside spherical or crown radius (Small End), Ls (9) =  mm Ls  = di                                                      
          2  x cos α                                                      
                                                                           
    Factor depending on the head proportion (Small End) L/rc, Ms =   Ms = 1 ( 3  +  (L/rc)1/2  )                                            
          4                                            
                                                                           
    Minimum required knuckle thickness (Small End), tk =  mm tk  = P Ls Ms                                                  
          2 S E − 0.2 P                                                  
                                                                           
    Minimum required knuckle thickness (Small End), tkr =  mm tkr  = P Ls Ms + CA                                          
          2 S E − 0.2 P                                          
    Check If tkr ≤ tf (Small End)                                                                    
                                                                           
    Maximum allowable working pressure Cone Section [ASME UG-32(g)                                                                      
    Maximum allowable working pressure for Toriconical Head, MAWPC =  barg MAWPC = 2 S E nt cos α                                        
          Di + 1.2 nt cos α                                        
    Maximum allowable working pressure Knuckle [ASME App 1-4(d)]                                                                      
    Maximum allowable working pressure for Knuckle, MAWPK =  barg MAWPK = 2 S E nt                                            
          LL ML + 0.2 nt                                            
                                                                           
    Volume & Weight Calculation                                                                       
    Inside Volume                                                                      
    Large End Inside diameter, D =  mm
Diagrama, Dibujo de ingeniería

Descripción generada automáticamente
  Diagrama, Dibujo de ingeniería

Descripción generada automáticamente                            
    Small End Inside diameter, d =  mm                                
    (Large End) Inside knuckle radius, R =  mm                                
    (Small End) Inside knuckle radius, r =  mm                                
    α = deg.                                
    X =  mm                                
    L2 = R * sin(α) =  mm                                
    L3 = r * Tan(α/2) =  mm                                
    L1 = X - L2 - L3 =  mm                                
    ID of the conical portion, D1 = D – 2R(1 – cos α) =  mm                                
    D2 = D - 2R =  mm                                
         
Diagrama, Dibujo de ingeniería

Descripción generada automáticamente
  Diagrama, Dibujo de ingeniería

Descripción generada automáticamente                            
    Outside Volume                                    
    Outside diameter of the Large End, Do =  mm                                
    Outside diameter of the head Small End, do =  mm                                
    (Large End) Outside knuckle radius, Ro =  mm                                
    (Small End) Outside knuckle radius, ro =  mm                                
    α = deg.                                
    X =  mm                                
    L2 = Ro * sin(α) =  mm                                
    L3 = ro * Tan(α/2) =  mm                                
    L1 = X - L2 - L3 =  mm                                                                  
    OD of the conical portion, D1 = Do – 2Ro(1 – cos α) =  mm                                                                  
    D2 = Do - 2Ro=  mm                                                                  
                                                                           
                                                                           
    Inside Volume                                                                      
    V1 =  m³ V1  = ( πL1(D12 + D1d + d2) ) / 109                                
          12                                
    V2 =  m³ V2  = ( πL2(D12 + D1D2 + D22) ) / 109                            
          12                            
    V3 =  m³ V3  = ( 120 R3 π sin(α/2) cos(α/2) + 0.25 D2 R2 (α/2) ) / 109          
          90          
    V4 =  m³ V4  = ( πd2L3 ) / 109                                          
          4                                          
    Vi =  m³ Vi  = V1 + V2 + V3 + V4                                          
                                                                           
    Outside Volume                                                                      
    V1 =  m³ V1  = ( πL1(D12 + D1do + do2) ) / 109                                
          12                                
    V2 =  m³ V2  = ( πL2(D12 + D1D2 + D22) ) / 109                            
          12                            
    V3 =  m³ V3  = ( 120 Ro3 π sin(α/2) cos(α/2) + 0.25 D2 Ro2 (α/2) ) / 109          
          90          
    V4 =  m³ V4  = ( πdo2L3 ) / 109                                          
          4                                          
    Vo =  m³ Vo  = V1 + V2 + V3 + V4                                          
                                                                           
                                                                           
    Weight =  Kg W = (Vo - Vi) ρm                                                
                                                                           
    Note:                                                                      
  (9) 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.    
                                                                           
                                                                     
  RESULT  
    Design Conditions            
Diagrama, Dibujo de ingeniería

Descripción generada automáticamente
     
Design Pressure, Pd =  barg
Design Temperature, Td =  °C
    Material                  
Toricónical Head Material 
    Dimensions                  
Large End Inside Diameter, D =  mm
Small End Inside Diameter, d =  mm
Minimum specified thickness after forming, tf =  mm
Length of Toriconical Head, X =   mm
    Maximum allowable working pressure, MAWPC =  barg              
    Maximum allowable working pressure, MAWPK =  barg              
Inside Volume =  m³
Outside Volume =  m³
Weight =  Kg
                                                                           
                                         
    Discussion and References  
    Information about Wall Thickness Calculation of Conical Heads Under Internal Pressure    
    ASME Section VIII Div 1 paragraph UG-32(g)    
    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 paragraph UG-32  Formed Heads, and Sections, Pressure On Concave Side    
       
    Conical Heads (With Transition Knuckle)    
                 
                 
                 
                 
                 
                 
                 
                 
                 
                 
                                         
    Minimum required thickness [ASME UG-32(g)]    
    In which the knuckle radius is neither less than 6% of the outside diameter of the head skirt nor less than three times the knuckle thickness.    
      Di = Dc−2Rc(1−cos α)                        
      t  = P Di                
      2 Cos α (S E - 0.6 P)                
                                         
    The required thickness of the knuckle shall be determined by eq. 1-4(d)(3) in which    
      L = Di                          
      2 Cos α                          
      M  = 1 ( 3  +  (L/Rc)1/2  )                
      4                
      tk  = P L M                      
      2 S E − 0.2 P                      
                                         
    Internal design pressure [ASME UG-32(g)]    
      P = 2 S E t cos α                      
      Di + 1.2 t cos α                      
    Where:    
    P: Design Pressure, in barg    
    S: Allowable Stress, in Mpa    
    E: Welding Efficiency    
    Di = inside diameter of the conical portion of a toriconical head    
    t:  Minimum required thickness, in mm    
    α = one‐half of the included (apex) angle of the cone at the centerline of the head    
    L = inside spherical or crown radius, in mm    
    r = inside knuckle radius    
    M = a factor in the equations for torispherical heads depending on the head proportion L/r    
    Feactures    
    - Used as transitions in diameter change of vessels.
- Limitations:  α ≤ 30°
- A reinforcing ring shall be provided when required by the rule in 1-5(d) and 1-5(e).