化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ)第9章外壓薄壁圓筒與封頭的強度設(shè)計課件

第九章外壓薄壁圓筒與封頭的設(shè)計第一節(jié)概述第二節(jié)臨界壓力第三節(jié)外壓圓筒的工程設(shè)計第四節(jié)外壓球殼與凸形封頭的設(shè)計第五節(jié)加強圈的設(shè)計第一節(jié)概述一、外壓容器的失穩(wěn)二、容器失穩(wěn)型式的分類一、外壓容器的失穩(wěn)外壓容器：殼體外部壓力大于殼體內(nèi)部壓力的容器。應(yīng)力特點：容器受到外壓作用后，在筒壁內(nèi)將產(chǎn)生經(jīng)向和環(huán)向壓縮應(yīng)力。失效類型：強度破壞（很少發(fā)生）；失穩(wěn)破壞（主要失效形式）：外壓圓筒筒壁內(nèi)的壓縮應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服點時，筒壁就已經(jīng)被突然壓癟或發(fā)生褶縐，即在一瞬間失去自身原來的形狀。彈性失穩(wěn)：筒體在外壓作用下突然失去原來形狀，應(yīng)力也由失穩(wěn)前的壓縮應(yīng)力為主變成以彎曲應(yīng)力為主的復(fù)雜的附加應(yīng)力。二、容器失穩(wěn)型式的分類1.側(cè)向失穩(wěn)二、容器失穩(wěn)型式的分類2.軸向失穩(wěn)3.局部失穩(wěn)薄壁圓筒在軸向外壓作用下引起的失穩(wěn)。失穩(wěn)后仍具有圓形的環(huán)截面，但是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。容器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引起的局部失穩(wěn)。

第二節(jié)臨界壓力一、臨界壓力二、影響臨界壓力的因素三、外壓圓筒的分類四、臨界壓力的理論計算公式五、臨界長度二、影響臨界壓力的因素1.筒體幾何尺寸試驗證明：影響筒體臨界壓力的幾何尺寸主要有筒體的長度L、筒體壁厚S以及筒體直徑D，并且：⑴長度L一定時，S/D越大，圓筒的臨界壓力越高；⑵圓筒的S/D相同，筒體越短臨界壓力越高；⑶筒體的S/D和L/D值均相同時，存在加強圈得筒體臨界壓力高。計算長度：指兩個剛性構(gòu)件（如法蘭、端蓋、管板及加強圈等）間的距離。對與封頭相聯(lián)的筒體來說，計算長度應(yīng)計入凸形封頭1/3凸面高度。二、影響臨界壓力的因素2.筒體材料性能的影響筒體的臨界壓力與材料的強度沒有直接關(guān)系。材料的彈性模量E和泊松比μ值越大，抵抗變形的能力就越強，因而其臨界壓力也就越高?！咀⒁狻夸摬牡腅和μ值相差不大，選用高強度鋼代替一般碳鋼制造外壓容器，不能提高筒體的臨界壓力。3.筒體橢圓度和材料不均勻穩(wěn)定性破壞主要原因不是殼體存在橢圓度或材料不均勻。因為即使殼體的形狀很精確和材料很均勻，當(dāng)外壓力達(dá)到一定數(shù)值時也會失穩(wěn)。殼體的橢圓度與材料的不均勻性能使其臨界壓力的數(shù)值降低，即能使失穩(wěn)提前發(fā)生。載荷不對稱性，邊界條件等因素三、外壓圓筒的分類1.長圓筒圓筒的L/D0較大，兩端的邊界影響可以忽略，臨界壓力Pcr僅與Se/D0有關(guān)，而與L/D0無關(guān)（L為圓筒的計算長度）。失穩(wěn)時波形數(shù)n=2。2.短圓筒兩端的邊界影響顯著，臨界壓力Pcr不僅與Se/D0有關(guān)，而且與L/D0也有關(guān)，筒失穩(wěn)時波形數(shù)n為大于2的整數(shù)。3.剛性圓筒圓筒的L/D0較小，而Se/D0較大，故剛性較好。其破壞原因是由于器壁內(nèi)的應(yīng)力超過了材料的屈服點所致，而不會發(fā)生失穩(wěn)?！L圓筒或短圓筒，要同時進(jìn)行強度計算和穩(wěn)定性校驗，后者更重要。四、臨界壓力的理論計算公式2.鋼制短圓筒臨界壓力公式［注意］短圓筒的臨界壓力除與圓筒的材料和圓筒的壁厚與直徑之比Se/D0有關(guān)，而且與L/D0也有關(guān)

臨界應(yīng)力公式四、臨界壓力的理論計算公式3.剛性圓筒剛性圓筒不會失穩(wěn)破壞，只需進(jìn)行強度校驗。其強度校驗公式與計算內(nèi)壓圓筒的公式一樣。強度校核許用外壓校核－材料設(shè)計溫度的許用壓應(yīng)力，可取=σs/4；五、臨界長度1.長、短圓筒的臨界長度剛性圓筒不會失穩(wěn)破壞，只需進(jìn)行強度校驗。其強度校驗公式與計算內(nèi)壓圓筒的公式一樣。第三節(jié)外壓圓筒的工程設(shè)計一、設(shè)計準(zhǔn)則二、外壓圓筒壁厚設(shè)計的圖算法三、外壓容器的試壓一、設(shè)計準(zhǔn)則1.許用壓力的確定工程上在外壓力等于或接近于臨界壓力pcr時進(jìn)行操作是絕不允許的，必須使許用壓力[p]比臨界壓力小m倍，即：

m－穩(wěn)定安全系數(shù)，根據(jù)GBl50－98《鋼制壓力容器》規(guī)定：對圓筒、錐殼取m=3.0；球殼、橢圓形和碟形封頭取m=15。2.設(shè)計準(zhǔn)則必須使設(shè)計壓力p≤[p]，并接近[p]，則所確定的筒體壁厚才是滿足外壓穩(wěn)定的合理要求。二、外壓圓筒壁厚設(shè)計的圖算法1.算圖的由來臨界壓力作用下，筒壁產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力σcr及應(yīng)變ε為：臨界壓力作用下長圓筒與短圓筒內(nèi)的應(yīng)變ε、ε’為：

長圓筒應(yīng)變短圓筒應(yīng)變二、外壓圓筒壁厚設(shè)計的圖算法1.算圖的由來垂直線段（對應(yīng)長圓筒）與傾斜直線（短圓筒）。曲線的轉(zhuǎn)折點所表示的長度是該圓筒的長、短圓筒臨界長度。利用這組曲線，可以迅速找出一個尺寸已知的外壓圓筒失穩(wěn)時筒壁環(huán)向應(yīng)變是多少。

一個尺寸已知的外壓圓筒，當(dāng)它失穩(wěn)時，其臨界壓力是多少？為保證安全操作，其允許的工作外壓又是多少？

二、外壓圓筒壁厚設(shè)計的圖算法1.算圖的由來若將失穩(wěn)時的環(huán)向應(yīng)變與允許工作外壓的關(guān)系曲線找出來，那么就可能通過失穩(wěn)時的環(huán)向應(yīng)變ε為媒介，將圓筒的尺寸（D0、Se、L）與允許工作外壓直接通過曲線圖聯(lián)系起來。令對于一個已知壁厚Se與直徑D0的筒體，其允許工作外壓[p]等于B乘以Se/D0，所以要想從ε找到[p]，首先需要從ε找出B。于是問題就轉(zhuǎn)到了如何從ε找出B。二、外壓圓筒壁厚設(shè)計的圖算法1.算圖的由來若以ε為橫坐標(biāo)，以B為縱坐標(biāo)，將B與ε（即圖中A）關(guān)系用曲線表示出來。利用這組曲線可以方便而迅速地從ε找到與之相對應(yīng)的系數(shù)B，進(jìn)而求出[p]。當(dāng)ε比較小時，E是常數(shù)，為直線（相當(dāng)于比例極限以前的變形情況）。當(dāng)ε較大時（相當(dāng)于超過比較極限以后的變形情況），E值有很大的降低，而且不再是一個常數(shù)，為曲線?！菊f明】不同的材料有不同的比例極限和屈服點，所以有一系列的A－B圖。二、外壓圓筒壁厚設(shè)計的圖算法2.外壓圓筒和管子壁厚的圖算法⑴對D0/Se≥20（薄壁）的圓筒和管子④根據(jù)所用材料選用圖11-4～11-9，在圖下方找出由③所得的系數(shù)A。若A值落在設(shè)計溫度下材料線的右方，則過此點垂直上移，與設(shè)計溫度下的材料線相交（遇中間溫度值用內(nèi)插法），再過此交點沿水平方向右移，在圖的右方得到系數(shù)B，并按下式計算許用外壓力[p]：若A值落在設(shè)計溫度下材料線的左方，說明肯定處于彈性失穩(wěn)狀態(tài)，則用下式計算許用外壓力[p]：⑤比較p與[p]，若p＞[p]，則需重新假設(shè)Sn，重復(fù)上述步驟直至[p]大于且接近于p為止。二、外壓圓筒壁厚設(shè)計的圖算法2.外壓圓筒和管子壁厚的圖算法⑵對D0/Se＜20（厚壁）的圓筒和管子①用與D0/Se≥20時相同的步驟得到系數(shù)B值。但對于D0/Se＜4.0的圓筒和管子應(yīng)按下式計算A值：系數(shù)A>0.1時，取A=0.1。②用①所得的系數(shù)B，按下式計算[p]1和[p]2，并取較小者為圓筒的許用外壓力，即：③比較p與[p]，若p＞[p]，則需重新假設(shè)Sn，重復(fù)上述步驟直至[p]大于且接近于p為止。第四節(jié)外壓球殼與凸形封頭的設(shè)計一、外壓球殼和球形封頭的設(shè)計二、凸面受壓封頭的設(shè)計一、外壓球殼和球形封頭的設(shè)計①假設(shè)Sn，令Se=Sn-C，而后定出比值Ro/Se值；②用下式計算系數(shù)A：③根據(jù)所用材料選用圖11-4～11-9，在圖的下方找出由②所得的系數(shù)A。若A值落在設(shè)計溫度下材料線的右方，則過此點垂直上移，與設(shè)計溫度下的材料線相交（遇中間溫度值用內(nèi)插法），再過此交點沿水平方向右移，在圖的右方得到系數(shù)B，并按下式計算許用外壓力[p]：若A值落在設(shè)計溫度下材料線的左方，按下式計算許用外壓力[p]：④比較p與[p]，若p＞[p]，則需再假設(shè)Sn，重復(fù)上述計算步驟，直至[p]大于且接近p時為止。二、凸面受壓封頭的設(shè)計受外壓（凸面受壓）的無折邊球形封頭，橢圓形封頭，碟形封頭所需的最小壁厚，按受外壓球殼和球形封頭圖算法進(jìn)行設(shè)計?！咀⒁狻坑嬎氵^程中對無折邊球形封頭和碟形封頭：Ro取球面部分內(nèi)半徑；橢圓形封頭取Ro=KDo，K為系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭取K=0.9。【例題】試設(shè)計一外壓橢圓形封頭的壁厚。已知設(shè)計外壓力p=0.4MPa，內(nèi)徑Di=1800mm，封頭內(nèi)壁曲面高度hi=450mm，設(shè)計溫度400℃，壁厚附加量C=2mm，材質(zhì)16MnR。第五節(jié)加強圈的設(shè)計一、加強圈的作用與結(jié)構(gòu)二、加強圈的間距三、加強圈尺寸設(shè)計四、加強圈與筒體間的連接一、加強圈的作用與結(jié)構(gòu)1.加強圈的作用設(shè)計外壓圓筒時，在試算過程中，如果許用外壓力[p]小于設(shè)計外壓力p，則必須增加圓筒的壁厚或縮短圓筒的計算長度。當(dāng)圓筒的直徑和厚度不變時，減小圓筒的計算長度可以提高其臨界壓力，從而提高許用操作外壓力。2.加強圈的結(jié)構(gòu)加強圈應(yīng)有足夠的剛性，常用扁鋼、角鋼、工字鋼或其他型鋼，因為型鋼截面慣性矩較大，剛性較好。二、加強圈的間距鋼制短圓筒的臨界壓力公式圓筒的D0、Se一定時，外壓圓筒臨界壓力和允許最大工作外壓隨著筒體加強圈間距Ls的縮短而增加。如果筒體的D0、Se

確定，如使該筒體安全承受所規(guī)定的外壓p所需加強圈的最大間距值為：

加強圈的個數(shù)等于圓筒不設(shè)加強圈的計算長度L除以所需加強圈間距LS再減去1，即加強圈個數(shù)n=(L/Ls)-1。三、加強圈尺寸設(shè)計①根據(jù)圓筒的外壓計算，D0、Ls和Se均為已知，選定加強圈材料與截面尺寸并計算其橫截面積As和加強圈與殼體有效段組合截面的慣性矩Is。②用下式計算B值：③利用圖11-4～11-9，用圖中的B值反查系數(shù)A值；若圖中無交點，則按下式計算A值：④計算加強圈與殼體組合截