過程設備設計基礎--外壓圓筒設計

1、第四節(jié)第四節(jié) 外壓容器設計外壓容器設計1.1.外壓容器外壓容器：容器外部壓力大于內(nèi)部壓力。 2.石油、化工生產(chǎn)中常有外壓操作設備，例如： 石油分餾中的減壓蒸餾塔、 多效蒸發(fā)中的真空冷凝器、 帶有蒸汽加熱夾套的反應釜、 真空干燥、真空結(jié)晶設備等。3.3.失穩(wěn)現(xiàn)象失穩(wěn)現(xiàn)象1）容器外壓與受內(nèi)壓一樣產(chǎn)生徑向和環(huán)向應力，是壓應力壓應力。也會發(fā)生強度破壞。2）容器強度足夠容器強度足夠(即：圓筒工作壓力遠低于材料的屈服極限)卻突然失去了原 有的形狀，筒壁被壓癟或發(fā)生褶皺，筒壁的圓環(huán)截面 一瞬間變成了曲波 形。這種在外壓作用下，筒體突然失去原有形狀的現(xiàn)象稱彈性失穩(wěn)彈性失穩(wěn)。3）發(fā)生彈性失穩(wěn)將使容器不能維持正常

2、操作，造成容器失效容器失效。4 4）外壓容器失效形式有）外壓容器失效形式有2 2種：種： 剛度不夠引起的失穩(wěn)（主要失效形式）剛度不夠引起的失穩(wěn)（主要失效形式）； 強度不夠引起的破壞，5 5）失穩(wěn)現(xiàn)象的實質(zhì)：）失穩(wěn)現(xiàn)象的實質(zhì)：外壓失穩(wěn)前，只有單純的壓縮應力，失穩(wěn)時， 產(chǎn)生了以彎曲應力為主的附加應力。單純的壓應力彎曲應力（1 1）整體失穩(wěn)）整體失穩(wěn)-側(cè)向失穩(wěn)側(cè)向失穩(wěn)v 由于均勻側(cè)向外壓引起失穩(wěn)叫側(cè)向失穩(wěn)。v 殼體橫斷面由原來的圓形被壓癟而呈現(xiàn)波形，其波形數(shù)可以等于兩個、三個、四個。v 薄壁圓筒承受軸向外壓，當載荷達到某一數(shù)值時，也會喪失穩(wěn)定性。v 失穩(wěn)，仍具有圓環(huán)截面，但破壞了母線的直線性，母線產(chǎn)

3、生了波形，即圓筒發(fā)生了褶縐。（1 1）整體失穩(wěn)）整體失穩(wěn)軸向失穩(wěn)軸向失穩(wěn)（2 2）局部失穩(wěn)）局部失穩(wěn)在支座或其他支承處以及在安裝運輸中由于過大的局部外壓也可能引起局部失穩(wěn)。1)臨界壓力臨界壓力：導致筒體失穩(wěn)的外壓，Pcr2)2)臨界應力臨界應力：筒體在臨界壓力作用下，筒壁內(nèi)的環(huán)向壓縮應力， 以cr表示。 a.外壓低于Pcr，在壓力卸除后能恢復其原先形狀，即:發(fā)生彈性變形。 b.達到或高于Pcr時，產(chǎn)生的曲波形將是不可能恢復的。3)3)臨界壓力與哪些因素有關(guān)？臨界壓力與哪些因素有關(guān)？a.失穩(wěn)是固有性質(zhì)固有性質(zhì)，不是由于圓筒不圓或材料不均或其它原因所導致。b.每一具體的外壓圓筒結(jié)構(gòu)，都客觀上對應著

4、一個固有的臨界壓力值。c.臨界壓力的大小與筒體幾何尺寸、材質(zhì)及結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。根據(jù)失穩(wěn)情況將外壓圓筒分為三類：根據(jù)失穩(wěn)情況將外壓圓筒分為三類：1)長圓筒長圓筒：剛性封頭對筒體中部變形不起有效支撐，最容易失 穩(wěn)壓癟，出現(xiàn)波數(shù)波數(shù)n=2n=2的扁圓形。2)短圓筒短圓筒：兩端封頭對筒體變形有約束作用，失穩(wěn)破壞波數(shù)波數(shù)n2n2， 出現(xiàn)三波、四波等的曲形波。3)剛性圓筒剛性圓筒：若筒體較短，筒壁較厚，即L/D0較小，e/D0較大， 容器的剛性好，不會因失穩(wěn)而破壞剛性好，不會因失穩(wěn)而破壞。(1) (1) 長圓筒長圓筒 (式中: Pcr-臨界壓力，Mpa; e-筒體的有效厚度，mm；-材料的泊松比。 D0-筒

5、體的外直徑，mm;Et-操作溫度下圓筒材料的彈性模量，Mpa)a.長圓筒的臨界壓力計算公式長圓筒的臨界壓力計算公式：302)(12DEpetcrniDD20 b.長圓筒的臨界壓力僅與圓筒的相對厚度相對厚度 e e/D/D0 0有關(guān)有關(guān)，而與 圓筒的相對長度L/D0無關(guān)。對于鋼制圓筒， =0.3: 30)(2.2DEpetcr(2) (2) 短圓筒短圓筒a.短圓筒的臨界壓力計算公式短圓筒的臨界壓力計算公式： b.短圓筒臨界壓力與相對厚度 e e/D/D0 0有關(guān)，也隨相對長度有關(guān)，也隨相對長度L/DL/D0 0變變化。化。 L/D0越大，封頭的約束作用越小，臨界壓力越低。)/()/(59.205

6、.20DLDEpetcrc.Lc.L為筒體計算長度，為筒體計算長度，指兩相鄰加強圈的間距兩相鄰加強圈的間距；對與封頭相連接的那段筒體而言，應計入凸形封頭中的1/3的凸面高度。臨界壓力計算公式使用范圍：臨界壓力計算公式使用范圍： 臨界壓力計算公式在認為圓筒截面是規(guī)則圓形及材料均勻的情況下得到的。 實際筒體都存在一定的圓度，不可能是絕對圓的，實際筒體臨界壓力將低于計算值。 當外壓力達到一定數(shù)值時發(fā)生失穩(wěn)，可能是殼體材料的不均勻性能使其臨界壓力的數(shù)值降低，使失穩(wěn)提前發(fā)生。 （3 3）剛性筒）剛性筒 22CppDtid 剛性筒是強度破壞，計算時只要滿足強度要求即可，其強度校核公式與內(nèi)壓圓筒相同。 te

7、eictDp2（4 4） 臨界長度臨界長度a.實際外壓圓筒是長圓筒還是短圓筒長圓筒還是短圓筒，可根據(jù)臨界長度L Lcrcr來判定。來判定。 b.當圓筒處于臨界長度Lcr時，長圓筒公式計算臨界壓力Pcr值和短圓 筒公式計算臨界壓力Pcr值應相等.)/()/(59.2)(20.205.2030DLDEDEetetecrDDL0017.1v ( (注：注：當筒長度筒長度LLLLcrcr時，時，P Pcrcr按長圓筒按長圓筒; ;筒長度筒長度LLL1穩(wěn)定安全系數(shù)穩(wěn)定安全系數(shù)m m的選取的選取主要考慮兩個因素： 一個是計算公式的可靠性；另一個是制造上所能保證的圓度。 根據(jù)GB150-2010鋼制壓力容器

8、的規(guī)定m=3，圓度與D0/ e、L/D0有關(guān)。%5.0e2 2設計外壓容器設計外壓容器 由于Pcr或p都與筒體的幾何尺寸（ e、D0、L）有關(guān)，通常采用（一）試算法（一）試算法：設計外壓容器應使許用外壓p小于臨界壓力Pcr，即：穩(wěn)定條件 pmpcr1）由工藝條件定內(nèi)徑和筒體長度先假定一個 e，計算：ecrDDL0017.12）根據(jù)筒體計算長度判斷屬于長圓筒還是短圓筒，再代入相應臨界壓力計算式。30)(2.2DEpetcr)/()/(59.205.20DLDEpecr 3）求出相應p,然后比較p是否大于或接近設計壓力p，判斷假設是否合理。 pmpcr 外壓容器的設計壓力：外壓容器的設計壓力：不小

9、于正常工作過程中可能出現(xiàn)的最大內(nèi) 外壓力差。1 1）真空容器：）真空容器： a.有安全控制裝置（真空泄放閥），取1.25倍最大內(nèi)外壓差或0.1MPa中較小值； b.無安全控制裝置，取0.1MPa。2 2）帶夾套容器）帶夾套容器：真空容器的設計壓力再加上夾套設計壓力作為 內(nèi)筒容器設計壓力。（二）圖算法（二）圖算法 長、短圓筒臨界壓力計算式均可歸納：)/()/(59.205.20DLDEpecr30)(DKEpetcrK為特征系數(shù)：00,DDLKe302)(12DEpecr外壓圓筒在臨界壓力下的周向應力為：200)(212DKEDpetecrcr00,DLDfe周向應變以A代替 eDBp032,3

10、232的關(guān)系是即而BAAEAB 外壓圓筒厚度設計外壓圓筒厚度設計利用算圖確定外壓圓筒厚度利用算圖確定外壓圓筒厚度。步驟如下： 1D D0 0/ / e e2020外壓圓筒及外壓管外壓圓筒及外壓管 a.假設 n,計算 e n-C,算出L/D0、D0/ e值 b.在圖3-14外壓或軸壓受壓圓筒和管子幾何參數(shù)計算圖中得到系數(shù)A； c.根據(jù)所用材料，從A-B關(guān)系圖（圖3-15至圖3-19）中選用，讀出B值，并按式（4-25）或（4-26）計算許用外壓力p：eDBp/0)/(320eDAEpd.比較許用外壓p與設計外壓p。v若pp，假設的厚度 n可用，若小得過多，可將 n適當減小，重復上述計算v若pp，

11、需增大初設的 n，重復上述計算，直至使pp且接近p為止。2. D2. D0 0/ / e e2020的外壓圓筒及外壓管子的外壓圓筒及外壓管子a.用與D0/ e20相同的方法得到系數(shù)B，但對D0/ e4圓筒及管子計算系數(shù)A值：系數(shù)A0.1時，取A=0.1； 20)/(1.1eDAb.計算pl和p2。取pl和p2中的較小值為許用外壓pBDpe0625.0/25.201/11 /20002eeDDp0取以下兩式中的較小值:t2tts2.09.09.0或c.比較許用外壓p與設計外壓pv若pp，假設的厚度 n可用，若小得過多，將 n適當減小，重復上述計算v若pp，需增大初設的 n，重復上述計算，直至使p

12、p且接近p為止。外壓容器和真空容器按內(nèi)壓容器進行液壓試驗按內(nèi)壓容器進行液壓試驗，試驗壓力取1.25倍的設計外壓，即: ( (式中式中p-p-設計外壓力，設計外壓力，MpaMpa；p pT T- -試驗壓力，試驗壓力，Mpa)Mpa)1.25ppT五、外壓容器的試壓五、外壓容器的試壓1）夾套容器內(nèi)筒如設計壓力為正值時，按內(nèi)壓容器試壓；如設計壓力為負值時按外壓容器進行液壓試驗。 l夾套容器夾套容器液壓試驗合格后再焊接夾套。夾套內(nèi)壓試驗壓力l夾套夾套內(nèi)壓試驗必須事先校核該容器在夾套試壓時的穩(wěn)定性是否足夠。l不滿足穩(wěn)定性，則液壓試驗時容器內(nèi)保持一定壓力，以便在整個試壓過程中，夾套與筒體的壓力差不超過設

13、計值。2）外壓容器壓力試驗的方法、要求及試驗前對圓筒應力的校核與內(nèi)壓容器相同。tTpp25.11 1）加強圈作用）加強圈作用：提高外壓容器的穩(wěn)定性（利用圈對筒壁的支撐作用，可以提高圓筒的臨界壓力，從而提高其工作外壓；當承載要求一定時，設置加強圈可減少壁厚，節(jié)省材料） 2 2）加強圈結(jié)構(gòu)和要求）加強圈結(jié)構(gòu)和要求： 加強圈結(jié)構(gòu)：扁鋼、角鋼和工字鋼等都以制作加強圈，材料采用 碳鋼。 加強圈要求：必須具有足夠的剛性，在外壓作用下本身不失穩(wěn)， 才能保證其對筒體的支承作用。)/()/(59.205.20DLDEpecr加強圈最大間距：加強圈最大間距： 外壓圓筒加強圈間距已選定，可按上述圖算法確定出筒體厚度

14、；如果筒體的D0/se已確定，可從下式解出加強圈最大間距： 加強圈實際間距小于或等于算出間距，表明該圓筒能安全承受設計壓力。加強圈實際間距小于或等于算出間距，表明該圓筒能安全承受設計壓力。加強圈可設置在容器的內(nèi)部或外部。加強圈可設置在容器的內(nèi)部或外部。)(L/D)/D(2.59Ep02.50ecrmp)D(2.59EDL2.50e0l連續(xù)或間斷焊接，當加強圈在外面時，每側(cè)間斷焊接的總長度不應小于圓筒外圓周長的1/2；l在里面，焊縫總長度不應小于內(nèi)圓周長度1/3。l間斷焊最大間距，外加強圈不能大于筒體名義厚度8倍；內(nèi)加強圈不能大于筒體名義厚度12倍。l 為保證強度，加強圈不能任意削弱或割斷為保證

15、強度，加強圈不能任意削弱或割斷。l 水平容器加強圈須開排液小孔。l 允許割開或削弱而不需補強的最大弧長間斷值。3 3）加強圈設計）加強圈設計 加強圈穩(wěn)定性設計計算步驟： 初定加強圈的數(shù)目和間距，應使加強圈實際間距LsLmax(加強圈最大間距); 選擇加強圈的材料和規(guī)格，初定截面尺寸，計算或查閱其橫截面積As和加強圈與筒體有效段組合截面的實際慣性矩Is； 計算B值； 計算A值；（由B值通過查閱圖讀出A值或 ） 計算加強圈與筒體有效段組合段所需的理論慣性矩I； 若滿足Is I，則所設計加強圈合格；否則重新設計加強圈，重復上述步驟。mp)D(2.59EDL2.50e0maxsse0c/LASDPBE1.5BAA10.9)/LA(SLISSeS20D加強圈與筒體有效段組合截面的實際慣性矩加強圈與筒體有效段組合截面的實際慣性矩IsIs計算步驟計算步驟e22bSA2Ls/，)0.5Smin0.55(Dbe02A