化設(shè)-9女老師版

CHAP.9外壓容器設(shè)計(jì)9.1外壓容器概述

什么是外壓容器外壓容器的破壞形式

外壓容器的臨界壓力9.2外壓圓筒環(huán)向穩(wěn)定計(jì)算

臨界壓力的影響因素臨界壓力與臨界長度臨界應(yīng)力與臨界應(yīng)變圓筒穩(wěn)定性計(jì)算圖表外壓圓筒的穩(wěn)定計(jì)算9.3外壓封頭的穩(wěn)定計(jì)算

外壓球殼的穩(wěn)定計(jì)算外壓封頭穩(wěn)定計(jì)算

外壓容器加強(qiáng)圈的概念9.1外壓容器概述

什么是外壓容器:

外壓大于內(nèi)壓的容器

外壓容器的破壞形式

失效的主要形式為失穩(wěn)。其后果是造成容器幾何形狀偏離原形狀。

(1)壓桿失穩(wěn)拉桿不失穩(wěn)壓桿可能失穩(wěn)（2）外壓圓筒的穩(wěn)定性承受外壓的圓筒，其筒壁應(yīng)力值與受內(nèi)壓時(shí)相同，其周向力應(yīng)力值為軸向應(yīng)力的兩倍，圓筒壁中產(chǎn)生的是壓縮應(yīng)力，這種壓應(yīng)力如果達(dá)到材料的屈服極限或強(qiáng)度極限時(shí)，將和承受內(nèi)壓圓筒一樣導(dǎo)致強(qiáng)度破壞。然而這種現(xiàn)象極為少見。通常外壓圓筒壁內(nèi)的壓縮應(yīng)力還遠(yuǎn)小于材料的屈服限時(shí)，筒體突然失去原來的形狀被壓癟或發(fā)生褶縐而失效（如圖），在圓筒橫斷面上呈現(xiàn)有規(guī)則的永久性波形，其波形數(shù)用n表示。

n可為2、3、4…。在外壓作用下，筒體、球殼或封頭突然發(fā)生失去原來形狀的現(xiàn)象稱之為失穩(wěn)。外壓容器穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)中主要考慮的問題。

外壓圓筒失穩(wěn)以前，筒壁中只是單純的壓應(yīng)力狀態(tài)。在失穩(wěn)時(shí)，伴隨著突然變形，在筒內(nèi)產(chǎn)生了以彎曲應(yīng)力為主的復(fù)雜的附加應(yīng)力，這種變形與附加應(yīng)力一直迅速發(fā)展到圓筒被壓癟。由此可見，外壓容器的失穩(wěn)，實(shí)質(zhì)上是容器從一種平衡狀態(tài)（形狀及應(yīng)力狀態(tài)）向另一種新的平衡狀態(tài)的突變。長圓筒短圓筒臨界壓力

受外壓作用的容器，當(dāng)外壓力低于某一特定的值時(shí)，殼體亦能發(fā)生變形，但當(dāng)壓力卸除后殼體可恢復(fù)原來的形狀，這時(shí)殼體變形屬于彈性變形范圍。當(dāng)外壓力繼續(xù)增加到某一特定值，產(chǎn)生了不能恢復(fù)的永久變形，即失去了原來的穩(wěn)定性。容器失穩(wěn)時(shí)的壓力稱臨界壓力，以Pcr表示。容器在Pcr作用下容器壁內(nèi)應(yīng)力稱臨界應(yīng)力。外壓容器的臨界壓力與穩(wěn)定性系數(shù)

穩(wěn)定安全系數(shù)

長、短圓筒的臨界壓力公式，是按理想狀態(tài)（無初始不圓度）求得的。但實(shí)際上的圓筒有幾何尺寸及形狀誤差，還有焊接結(jié)構(gòu)形式等影響，這都會(huì)直接影響計(jì)算臨界壓力的準(zhǔn)確性，此外，生產(chǎn)過程中操作壓力的波動(dòng)，使筒體實(shí)際外壓力增高，并可能超過計(jì)算的臨界壓力值。為保證安全，必須使許用外壓力低于臨界外壓力，即

[P]=Pcr/m

穩(wěn)定安全系數(shù)m=3（圓筒體）

m=14.52（球殼體）9.2外壓圓筒環(huán)向穩(wěn)定計(jì)算臨界壓力的影響因素1、臨界壓力及影響因素

臨界壓力值受若干因素影響，如受容器筒體幾何尺寸及幾何形狀的影響，除此之外，載荷的均勻和對(duì)稱性、筒體材料及邊界條件等也有一定影響。a.影響因素δ/D

兩個(gè)圓筒形外壓容器，當(dāng)其他條件（材料、直徑D、長度L）一定，而厚度不同時(shí)，當(dāng)L/D相同，δ/D大者臨界壓力高，其原因是筒壁較厚抗彎曲的能力強(qiáng)；b.影響因素L/D

當(dāng)δ/D相同，而長度L不同，L/D小者臨界壓力高，其原因是筒身較短圓筒的封頭對(duì)筒壁起著一定支撐作用。筒體的幾何形狀（如不圓度）誤差會(huì)降低筒壁臨界壓力，加速筒體的失穩(wěn)。不圓度定義為e=Dmax-Dmin，式中Dmax、Dmin分別為筒體直徑的最大值和最小值。不圓度存在對(duì)筒壁產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力,使筒壁屈服的壓力比臨界壓力低.不圓度越大,屈服壓力越小.筒體材料的彈性模數(shù)E值大，抵抗變形能力強(qiáng)，臨界壓力就高。由于各種鋼材E值相差較小，若選用高強(qiáng)度鋼代替一般碳素鋼制造外壓容器，并不能明顯地提高筒體的臨界壓力，卻使容器成本提高，因而是不恰當(dāng)?shù)摹Ｒ岣呷萜鞯呐R界壓力，即增加穩(wěn)定性，只有從幾何尺寸上來考慮。

2、長圓筒、短圓筒及剛性圓筒

承受外壓的圓筒形殼體，按不同的幾何尺寸失穩(wěn)時(shí)的不同形式（波形數(shù)不同），將圓筒分為長圓筒、短圓筒及剛性圓筒等三種。長圓筒是指筒體的L/D值較大，筒體兩端邊界的支撐作用可以忽略，筒體失穩(wěn)時(shí)Pcr僅與δ/D有關(guān)，而與L/D無關(guān)。長圓筒失穩(wěn)時(shí)波形數(shù)n為2。短圓筒是指筒體兩端邊界的支撐作用不可忽略，筒體失穩(wěn)時(shí)Pcr與L/D及δ/D均有關(guān)。短圓筒失穩(wěn)時(shí)波形數(shù)n＞2的整數(shù)。剛性圓筒是指L/D較小，而δ/D較大，筒體的剛性較好，破壞的原因是圓筒壁內(nèi)的壓縮應(yīng)力超過了材料的屈服限，并非是發(fā)生了失穩(wěn)。對(duì)剛性圓筒主要考慮強(qiáng)度要求。圓筒的“長”和“短”是相對(duì)于直徑來說的。長、短圓筒以及剛性圓筒的臨界壓力是各不相同的，有其各自的計(jì)算方法

臨界壓力與臨界長度

1、圓筒臨界壓力的計(jì)算長圓筒臨界壓力的計(jì)算

短圓筒臨界壓力的計(jì)算

長圓筒臨界壓力僅與筒體δe/D及E有關(guān)。剛性圓筒由臨界壓力引起的臨界應(yīng)力為外壓短而厚的剛性圓筒，其破壞是由于圓筒壁的壓縮應(yīng)力超過材料設(shè)計(jì)溫度下的屈服極限，對(duì)此應(yīng)考慮強(qiáng)度問題和非彈性失穩(wěn)問題。

長、短及剛性圓筒都是承受橫向均勻外壓力的情況。因容器均有封頭，所以除受橫向外壓力外，同時(shí)還受有軸向壓力，但軸向壓縮對(duì)筒體失穩(wěn)影響很小，工程上僅按承受橫向均勻外壓計(jì)算臨界壓力（室外高塔設(shè)計(jì)除外）。2、圓筒的臨界長度

長短圓筒的區(qū)別：是否受端蓋、加強(qiáng)圈等支撐的影響。當(dāng)δe/D相同時(shí)，短圓筒的臨界壓力較長圓筒大，隨著短圓筒長度的增加，端蓋對(duì)筒體支撐作用減弱，當(dāng)短圓筒的長度增大到某一值時(shí)，端蓋對(duì)筒體的支撐作用完全消失，這時(shí)短圓筒的臨界壓力與長圓筒臨界壓力相等，該短圓筒的長度稱為臨界長度，用Lcr表示。臨界長度是長、短圓筒的分界線，也是計(jì)算臨界壓力選擇公式的的依據(jù)。L＞Lcr為長圓筒，L＜Lcr為短圓筒。外壓圓筒的計(jì)算與δe/D0（D0為圓筒外直徑）有關(guān)。δe/D0≥0.04時(shí)，此條件下任何δe/D0值均按剛性圓筒計(jì)算。3、計(jì)算長度圓筒的計(jì)算長度指筒體外部或內(nèi)部兩剛性構(gòu)件之間的最大距離，筒體外部焊接的角鋼加強(qiáng)圈，筒體內(nèi)部擋板或塔盤均可視為剛性構(gòu)件；在兩個(gè)剛性構(gòu)件中，其中一個(gè)是凸型封頭時(shí)，取計(jì)算長度L=L’+h0+hi/3（hi為凸型封頭凸面高度，

h0凸型封頭直邊高度，L’為封頭與最近剛性構(gòu)件的距離。）凸型封頭剛性大對(duì)圓筒體有一定支撐作用，可以提高臨界壓力。在較薄板制造的筒體上焊接一定數(shù)量的加強(qiáng)圈，可使計(jì)算長度L降低，提高臨界壓力。臨界應(yīng)力與臨界應(yīng)變長圓筒臨界壓力短圓筒臨界壓力

圓筒在Pcr

作用下，產(chǎn)生的環(huán)向臨界應(yīng)力臨界應(yīng)變

長、短圓筒Pcr分別代入臨界應(yīng)變?chǔ)與r計(jì)算式得

長圓筒短圓筒

外壓圓筒失穩(wěn)時(shí)，環(huán)向應(yīng)變?chǔ)與r與筒體幾何參數(shù)δe

、D0及L有關(guān)，而與材料彈性模數(shù)無關(guān)。圓筒穩(wěn)定性計(jì)算圖表圖解法來源

若圓筒的D0/δe值已確定，ε只是L/D0的函數(shù)。利用上式繪出曲線，見圖9-7，橫坐標(biāo)A即ε。

圖中上部垂直線與斜線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的L/D0即為圓筒的Lcr/D0，交點(diǎn)以上直線表示長圓筒情況，失穩(wěn)時(shí)ε與

L/D0無關(guān)，而在交點(diǎn)以下斜線簇表示短圓筒情況，失穩(wěn)時(shí)的ε與D0/δe及L/D0

均有關(guān)。

L/D0D0/δe

A(ε)

對(duì)于任何材料的外壓圓筒，已知L/D0

和D0/δe值,可用圖

9-7中找出失穩(wěn)時(shí)的環(huán)向應(yīng)變?chǔ)牛碅）。還要找出ε與許用外壓[P]的關(guān)系，才能判定容器在操作外壓力下是否安全。令,并把材料的應(yīng)力與應(yīng)變拉伸曲線轉(zhuǎn)換成B-A曲線(即曲線),于是得到以A為橫坐標(biāo)，以B為縱坐標(biāo)，并配以材料在各溫度下的應(yīng)力與應(yīng)變拉伸曲線，可以繪出圖9-8—9-17。若由A求得B后，可求得許用外壓力[P]。

計(jì)算圖B值是A的函數(shù)，即B=f（A），直線部分表示應(yīng)力與應(yīng)變成正比，頂部彎曲部分表示材料發(fā)生塑性變形以后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

外壓圓筒計(jì)算圖(

B－A)

對(duì)于D0/δe及L/D0已確定的圓筒，如果從圖查得的A值位于圖的直線部分，說明圓筒失穩(wěn)時(shí)應(yīng)力值沒有超過材料比例極限，即該圓筒屬于彈性失穩(wěn)，可視E值為常數(shù)，直接用B=2/3EA求B值。當(dāng)A值處于B=f（A）曲線的彎曲部分時(shí)，由A求B后求[P]。可見外壓容器圖算法是計(jì)算與圖算相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。由于對(duì)彈性失穩(wěn)可以直接用公式B值和[P]，故圖B=f（A）曲線就可以把大部分直線段省略。外壓圓筒的穩(wěn)定計(jì)算1.假設(shè)

確定比值：L/Do和D0/δe2.根據(jù)L/Do和D0/δe查圖9-7，確定A值3.根據(jù)不同材料查圖9-8~9-17確定B值A(chǔ)在B-A線的右方,從曲線中查B,

超出最大值，則取曲線右端點(diǎn)的縱坐標(biāo)為Ｂ值。

5.比較P與[P],以P小于且接近于[P]

A在B-A線的左方，屬彈性失穩(wěn)

4.

求許用外壓[P]

計(jì)算長度L包括兩端封頭包括一端封頭

例題9-1（p253）假設(shè)厚度，查得A，求[P]與設(shè)計(jì)壓力P比較，確定是否可用例：已知一分餾塔，其Di=1000mm,塔筒體長6000mm,封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形，塔內(nèi)裝有可拆塔板，板間距1000mm,在150℃及真空下操作，材料Q235-B,C2為1mm。分別按無加強(qiáng)圈和加強(qiáng)圈設(shè)于塔板處兩種情況計(jì)算塔體壁厚。一、無加強(qiáng)圈

1、假設(shè)2、查圖系數(shù)A

（p246)2、查圖（p246)A=0.000143、系數(shù)B

4、計(jì)算[P]

5、∵[P]>P=0.1MPa∴滿足穩(wěn)定性要求

6、鋼板重量：G=L×g=6×249=1494kgg=249kg/m(p227)表8-18二、考慮塔板對(duì)筒體的加強(qiáng)：L=1000mm1、假設(shè)：2、查系數(shù)A2、查圖A=0.00043、系數(shù)B

4、計(jì)算[P]

5、∵[P]>P=0.1MPa∴滿足穩(wěn)定性要求

6、鋼板重量：G=L×g=6×149=894kgg=149kg/m(p227)比10mm少598kg

節(jié)省材料37％9.3外壓封頭的穩(wěn)定計(jì)算一、外壓球殼的穩(wěn)定計(jì)算臨界應(yīng)變臨界壓力臨界應(yīng)力1、外壓球殼的臨界壓力、臨界應(yīng)力、臨界應(yīng)變、許用外壓

許用外壓力若令則臨界應(yīng)變?nèi)舨捎脠A筒的B-A圖對(duì)圓筒,B=2/3EA2、外壓球殼的穩(wěn)定計(jì)算1.假設(shè)2.確定A值3.根據(jù)不同材料查圖9-8~9-17確定B值A(chǔ)在B-A線的右方,從曲線中查B

5.比較P與[P],以P小于且接近于[P]

A在B-A線的左方，4.

求許用外壓[P]3、外壓封頭的穩(wěn)定計(jì)算⑴外壓凸形封頭計(jì)算同球殼不同的是球面半徑R標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭R=0.9Di碟形封頭R=球面部分內(nèi)半徑R

球冠形封頭R=球面部分內(nèi)半徑R

例9-3：已知一容器，Di=1000mm,筒體長2000mm,封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形，內(nèi)曲面高度hi=250mm,直邊高度h0=40mm,設(shè)計(jì)溫度120℃，材料Q235-B,C2為2.5mm,接頭系數(shù)0.85,試分別計(jì)算該容器的許可內(nèi)壓和許可外壓。一、許可內(nèi)壓按照公式8-33，筒體的許可內(nèi)壓為得[P]=1.36MPa二、許可外壓

1.筒體經(jīng)計(jì)算[P]=0.30MPa2.橢圓封頭由此，容器許可內(nèi)壓[P]=1.36MPa，許可外壓[P]=0.3MPa封頭承受外壓能力遠(yuǎn)大于筒體“當(dāng)量長度”其它同外壓圓筒計(jì)算“當(dāng)量厚度”⑵外壓錐形封頭承受外壓的錐形封頭，當(dāng)半頂角≤600時(shí)，用“當(dāng)量圓筒”進(jìn)行計(jì)算。外壓錐形封頭，當(dāng)半頂角≤600時(shí)，按外壓圓筒穩(wěn)定性當(dāng)半頂角＞600時(shí)，按平板封頭（p257圖9-20)

外壓錐形封頭的穩(wěn)定計(jì)算1.假設(shè)

2.計(jì)算LC確定比值：2.根據(jù)和確定A值

5.比較P與[P],以P小于且接近于[P]4.

求許用外壓[P]當(dāng)量厚度3.根據(jù)不同材料選圖確定B值

4、防止內(nèi)壓凸形封頭失穩(wěn)的規(guī)定

考慮到內(nèi)壓的碟形封頭也會(huì)產(chǎn)生環(huán)向壓縮薄膜應(yīng)力，考慮到彈性失穩(wěn)，規(guī)定：最小厚度（內(nèi)壓失穩(wěn)）考慮到內(nèi)壓的橢圓形封頭在赤道處產(chǎn)生環(huán)向壓縮薄膜應(yīng)力，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的計(jì)算厚度不得小于封頭內(nèi)徑的0.15%三、外壓容器加強(qiáng)圈外壓圓筒可以通過設(shè)置加強(qiáng)圈的方法減少計(jì)算長度來提高承壓能力。工程中常用于：夾套容器真空容器1.加強(qiáng)的作用和結(jié)構(gòu)作用設(shè)置加強(qiáng)圈減少計(jì)算長度來提高承壓能力對(duì)不銹鋼或其它貴重金屬，在圓筒體外部設(shè)置碳鋼加強(qiáng)圈，更加經(jīng)濟(jì)。結(jié)構(gòu)可用扁鋼、角鋼、工字鋼等其它型鋼。2.加強(qiáng)圈間距可根據(jù)已知筒體厚度，按其穩(wěn)定性條件確定。上左式是滿足穩(wěn)定性條件的最大長度;如果L≤Lmax表示該圓筒可以承受設(shè)計(jì)外壓p，反之則加設(shè)加強(qiáng)圈P254例由上式已知尺寸，求滿足穩(wěn)定性條件的最大間距：外壓短圓筒臨界壓力：穩(wěn)定性條件：例9-2同9-1，若庫存僅有9mm鋼板，應(yīng)采取什么措施？從9-1題可知，A值落在曲線斜直線段，該圓筒屬于短圓筒。于是由短圓筒臨界壓力公式可得代入數(shù)值，得Lmax=2480mm,小于筒體計(jì)算長度L=6340mm需設(shè)置加強(qiáng)圈，其個(gè)數(shù)組合截面失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Pcr:為使在設(shè)計(jì)外壓作用下組合截面不失穩(wěn)，該組合截面的截面慣性矩須大于等于滿足穩(wěn)定性條件所需的截面慣性矩3.真空容器加強(qiáng)圈的穩(wěn)定性條件裝有加強(qiáng)圈的筒體，受外壓作用時(shí)，作用在加強(qiáng)圈兩側(cè)各L/2范圍筒體上的外壓力是由筒體有效段和加強(qiáng)圈的組合截面共同承擔(dān)。——加強(qiáng)圈與圓筒有效段組合截面的慣性矩;——加強(qiáng)圈與圓筒有效段組和截面所需慣性矩

4.加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)需要保證兩條:●保證加強(qiáng)圈與殼體一起受力,因此其與圓筒最好采取連續(xù)焊,若考慮焊接收縮采用間斷焊接時(shí),應(yīng)保證焊縫總長不少于圓筒周長的1/2(加強(qiáng)圈設(shè)置在圓筒外部)或1/3(加強(qiáng)圈設(shè)置在圓筒內(nèi)部).當(dāng)滿足上述條件時(shí),可以縮短計(jì)算長度;組合截面的慣性矩應(yīng)以它本身的中性軸計(jì)算●9.4軸向受壓圓筒的穩(wěn)定性

承受軸向壓力的薄壁圓筒，當(dāng)軸向壓縮應(yīng)力達(dá)某一定值時(shí)，圓筒母線的直線性受到破壞而產(chǎn)生了波形，即為軸向失穩(wěn)。有些直立高塔設(shè)備除了承受介質(zhì)外壓，不定期要承受設(shè)備自重及風(fēng)載荷等作用，使筒體壁產(chǎn)生局部較大軸向壓縮應(yīng)力，因此筒體局部失