第八章 外壓容器設(shè)計

第八章外壓容器8.1外壓容器失穩(wěn)與臨界壓力8.1.1外壓容器失穩(wěn)外壓容器：容器外部壓力大于內(nèi)部壓力。石油、化工生產(chǎn)中外壓操作，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(yīng)釜、真空干燥、真空結(jié)晶設(shè)備等。容器強度足夠卻突然失去了原有的形狀，筒壁被壓癟或發(fā)生褶縐，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)。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(yīng)力，在失穩(wěn)時，產(chǎn)生了以彎曲應(yīng)力為主的附加應(yīng)力。外壓容器的失穩(wěn)，實際上是容器筒壁內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)由單純的壓應(yīng)力平衡躍變?yōu)橹饕軓澢鷳?yīng)力的新平衡失穩(wěn)的分類側(cè)向失穩(wěn)軸向失穩(wěn)局部失穩(wěn)側(cè)向失穩(wěn)側(cè)向失穩(wěn):由于均勻側(cè)向外壓引起的失穩(wěn)稱為側(cè)向失穩(wěn)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……。圖片軸向失穩(wěn)軸向失穩(wěn)：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。失穩(wěn)后，仍具有圓環(huán)截面，但破壞了母線的直線性，母線產(chǎn)生了波形，即圓筒發(fā)生了褶縐。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)。8.1.2臨界壓力計算臨界壓力:導致筒體失穩(wěn)的外壓,以Pcr表示臨界應(yīng)力：筒體在臨界壓力作用下，筒壁內(nèi)的環(huán)向壓縮應(yīng)力，以表示。外壓低于Pcr，變形在壓力卸除后能恢復其原先形狀，即發(fā)生彈性變形。達到或高于Pcr時，產(chǎn)生的曲波形將是不可能恢復的。臨界壓力與哪些因素有關(guān)?1、材料的彈性模量E、泊松比有關(guān)2、容器的幾何特性尺寸3、容器的幾何形狀的偏差也會降低臨界壓力（如橢圓度）外壓圓筒的分類

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)波紋數(shù)n=2的扁圓形。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)n>2，出現(xiàn)三波、四波等的曲形波。剛性圓筒：若筒體較短，筒壁較厚，即L/D0較小，較大，容器的剛性好，不會因失穩(wěn)而破壞。長圓筒長圓筒的臨界壓力計算公式：勃萊斯公式式中：Pcr-臨界壓力，MPa；

de-筒體的有效厚度，mm；

D0-筒體的外直徑，mmE-操作溫度下圓筒材料的彈性模量，MPa-材料的泊松比。分析：長圓筒的臨界壓力僅與圓筒的相對厚度有關(guān)，而與圓筒的相對長度L/D0無關(guān)。對于鋼制圓筒，m=0.3，則適用于彈性失穩(wěn),非彈性失穩(wěn)誤差較大,失穩(wěn)時的周向臨界應(yīng)力短圓筒米賽斯公式:短圓筒的臨界壓力計算公式：拉姆近似式：短圓筒臨界壓力與相對厚度有關(guān)，也隨相對長度L/D0變化。L/D0越大，封頭的約束作用越小，臨界壓力越低。計算長度L為筒體計算長度，指兩相鄰加強圈的間距；對與封頭相連接的那段筒體而言，應(yīng)計入凸形封頭中的1/3的凸面高度。說明：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。但即使殼體形狀很精確和材料很均勻，當外壓力達到一定數(shù)值時，也會失穩(wěn)，只不過是殼體的圓度與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。剛性筒剛性筒是強度破壞，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。臨界長度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(yīng)相等實際外壓圓筒是長圓筒還是短圓筒，可根據(jù)臨界長度Lcr來判定。臨界長度的計算公式當筒長度L≥Lcr，Pcr按長圓筒當筒長度L≤Lcr時，Pcr按短圓筒公式按規(guī)則圓形推的，實際圓筒總存在一定的不圓度，公式的使用范圍必須要求限制筒體的圓度e。8.2外壓圓筒的設(shè)計算法概述外壓筒體的設(shè)計與內(nèi)壓筒體相比，共同點都是要滿足強度條件，不同點的外壓筒體要進行穩(wěn)定性校核，為提高穩(wěn)定性，常設(shè)有加強圈，這使受力和穩(wěn)定性計算變得更為復雜，初始橢圓度也會導致失穩(wěn)壓力降低，因此對橢圓度要嚴格控制，不同幾何特性的外壓筒體會出現(xiàn)不同的破壞形式，相應(yīng)要用不同方式進行計算，設(shè)計一個外壓筒體要先作假設(shè)（假設(shè)壁厚），經(jīng)反復計算校核后才能完成。工程上設(shè)計外壓容器多輔以算圖來簡化設(shè)計過程，常用方法解析法和圖算法。設(shè)計思路外壓設(shè)計的總體思路：保證工作壓力P小于許用外壓[P]而[P]=Pcr/mm決定于Pcr的準確程度、制造技術(shù)、焊縫結(jié)構(gòu)形式等因素。我國規(guī)定m=38.2.1解析法：根據(jù)容器的操作工況，選筒體材料；假設(shè)壁厚，確定有效壁厚；根據(jù)已知條件計算，與相比確定圓筒的長、短圓筒屬性；根據(jù)筒體屬性，確定其許用設(shè)計外壓力；確定設(shè)計外壓力p

且接近時，假設(shè)的壁厚可作為設(shè)計壁厚，相差太大，假設(shè)的壁厚不合適，應(yīng)重選，再重復以上計算步驟，直至滿足要求為止。設(shè)計外壓設(shè)計外壓：不小于正常工作過程中可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓力差。真空容器：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；無安全控制裝置，取0.1MPa帶夾套容器：真空設(shè)計壓力再加上夾套設(shè)計壓力。8.2.2圖算法

工程上設(shè)計外壓容器多輔以算圖來簡化設(shè)計過程，常用的方法有解析法和圖算法，GB150推薦的是圖算法圖算法外壓筒體的穩(wěn)定性校核是以米賽斯公式為基礎(chǔ)，經(jīng)簡化制成算圖進行計算的。B與A的關(guān)系利用材料單向拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線，縱坐標按2/3的比例縮小，得B與A的關(guān)系曲線由A查圖14-7至圖14-9得到B利用圖算法可使外壓容器的設(shè)計計算簡便但仍需試算算圖算圖設(shè)計步驟1、假設(shè),計算,定出、值；2、根據(jù)幾何特性尺寸按圖14-6縱坐標找到值，由此點沿水平方向右移與線相交（遇中間值

則用內(nèi)插法，若，用查圖，交點對應(yīng)的橫坐標的值為A；3、根據(jù)所用材料，設(shè)計溫度，從A-B關(guān)系圖（圖814-7至圖14-9）中選用，讀出B值，計算許用外壓力[p]：許用外壓力[p]：諾A點處于溫度線的右方（非彈性失穩(wěn)，E非定值），由此點垂直上移，與材料的溫度線的交點（中間值采用內(nèi)插法）所對應(yīng)的縱坐標值為B；若所得A處于溫度線左方，屬彈性失穩(wěn)，E為定值，設(shè)計步驟4、比較許用外壓[p]與設(shè)計外壓p若p≤[p]，假設(shè)的厚度可用，若小得過多，可將適當減小，重復上述計算若p＞[p]，需增大初設(shè)的，重復上述計算，直至使[p]＞p且接近p為止。8.2.3外壓容器的試壓外壓容器和真空容器按內(nèi)壓容器進行液壓試驗，試驗壓力取1.25倍的設(shè)計外壓，即式中p-設(shè)計外壓力，MPa；pT-試驗壓力，MPa。氣壓試驗夾套容器試壓夾套容器內(nèi)筒如設(shè)計壓力為正值時，按內(nèi)壓容器試壓；如設(shè)計壓力為負值時按外壓容器進行液壓試驗。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。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(shè)計值。例：某圓筒形容器，其內(nèi)徑2400mm，長14000mm，，兩標準橢圓形封頭，直邊高度為50mm，材料為0Cr18Ni9，最高溫度為480C，真空下操作，無安全控制裝置，腐蝕余量為0，分別用解析法和算圖法求筒體厚度。例：分餾塔內(nèi)徑2000mm，塔身(不包括橢圓形封頭)長度為6000mm，封頭深度500mm。370℃及真空條件下操作?，F(xiàn)庫存有9、12、14mm厚20g鋼板。能否用這三種鋼板制造。8.3真空容器加強圈的計算10.3.1加強圈的作用及結(jié)構(gòu)要求10.3.1.1作用裝上一定數(shù)量的加強圈，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。

扁鋼、角鋼、工字鋼等都以制作加強圈。在圓筒的外部或內(nèi)部設(shè)置加強圈可以減小筒體的計算長度（兩剛性構(gòu)件之間的最大距離）8.3.1.2結(jié)構(gòu)加強圈應(yīng)有足夠的剛性，常用角鋼、扁鋼、工字鋼或其他型鋼制成，因為型鋼的截面慣性矩大且成型方便，容器內(nèi)構(gòu)件如塔盤，若設(shè)計成起加強作用時，也可作加強圈用。加強圈可設(shè)置在容器的內(nèi)部或外部，通常采用連續(xù)焊縫或間隙焊縫與筒體相連，設(shè)置在筒外的加強圈，每側(cè)間斷焊縫的總長應(yīng)不小于容器外周長的1/2，在筒體的內(nèi)部時，應(yīng)不小于筒體內(nèi)周長的1/3，加強圈兩側(cè)的間斷焊縫可以相互錯開或并排布置，焊縫間的最大間隙，外加強圈為，內(nèi)加強圈為。結(jié)構(gòu)圖加強圈不得任意削弱或割斷，水平容器加強圈須開排液小孔。允許割開或削弱而不需補強的最大弧長間斷值，留出的間隙弧長應(yīng)符合GB150的規(guī)定。8.3.2加強圈的設(shè)計計算及步驟設(shè)置加強圈后，加強圈與筒體的有效段組合成一剛性較大的圓環(huán)。裝有加強圈的筒體，受外力作用時，作用在加強圈兩側(cè)各L/2范圍內(nèi)筒體上的外壓力，通常由部分筒體（寬度為2b的筒體）有效段與加強圈所組成的具有組合截面的剛性環(huán)來承擔。加強圈的設(shè)計計算與步驟（參考）1、初定加強圈的數(shù)目n和間距；2、選擇加強圈的材料，初定加強圈的結(jié)構(gòu)與截面尺寸（或型鋼規(guī)格），計算或由有關(guān)手冊查出其截面面積及加強圈與有效段筒體實際所具有的組合慣性矩見例8-3；3、根據(jù)設(shè)計壓力p，圓筒外直徑和有效厚度（加強圈面積A及加強圈間距L）可計算B值；GB150規(guī)定：加強圈的設(shè)計計算與步驟：4、應(yīng)用圖8-21－圖8-2