外壓容器設計（課堂PPT）

1、1化化 工工 容容 器器 設設 計計第四章 外壓容器設計潘家禎華東理工大學機械與動力工程學院2第四章 外壓容器設計 第一節(jié) 概述 第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計算 第三節(jié) 外壓圓筒的設計計算 第四節(jié) 外壓封頭和法蘭設計 3第一節(jié) 概述一、外壓容器的失效形式 外壓容器的失效形式有兩種：v發(fā)生壓縮屈服破壞;v當外壓達到一定的數(shù)值時，殼體的徑向撓度隨壓縮應力的增加急劇增大，直至容器壓扁，這種現(xiàn)象稱為外壓容器的失穩(wěn)或屈曲。 4第一節(jié) 概述二、臨界壓力l外壓容器發(fā)生失穩(wěn)時的相應壓力稱為臨界壓力 。l薄壁圓筒受側(cè)向均布外力作用，一旦達到臨界壓力時，沿周向?qū)⑿纬蓭讉€波。 外壓圓筒的失穩(wěn)形態(tài)5第一節(jié) 概述 臨

2、界壓力 臨界壓力除與圓筒材料的E、有關外，主要和圓筒長度與直徑之比值、壁厚與直徑的比值有關。 早期對外壓圓筒的分析是按照理想圓柱殼線性小撓度理論進行的，但失穩(wěn)實驗表明該分析結(jié)果不正確，根本原因殼體失穩(wěn)本質(zhì)上是幾何非線性問題，所以失穩(wěn)分析應按非線性大撓度來考慮。6第一節(jié) 概述 臨界壓力表述與許用設計外壓的確定 p Pcr/m P許用設計外壓，MPa Pcr臨界壓力，MPa m穩(wěn)定系數(shù)， 我國鋼制壓力容器標準取m=37第一節(jié) 概述 外壓容器的設計參數(shù) 1、設計壓力和液壓試驗壓力l設計壓力P設： 正常工作過程中可能產(chǎn)生的最大內(nèi)外壓差l 真空容器：有安全裝置，取（1.25Pmax，0.1MPa）中的

3、較小值；無有安全裝置，取0.1MPal 夾套容器：內(nèi)部真空，真空容器設計壓力夾套設計壓力 考慮容器可能出現(xiàn)的最大壓差的危險工況。如 內(nèi)筒泄漏、夾套液壓試驗等工況8第一節(jié) 概述 1、設計壓力和液壓試驗壓力試驗壓力PT：l不帶夾套的外壓容器，按內(nèi)壓試驗；l帶夾套外壓容器，夾套試驗壓力按外壓容器，但必須校核內(nèi)筒的穩(wěn)定性；l真空容器以內(nèi)壓作壓力試驗； MPaPMPaPPtT，1 . 025. 1max9外壓容器的設計參數(shù) 2、外壓筒體計算長度L：指筒體上兩個剛性構(gòu)件如封頭、法蘭、加強圈之間的最大距離。l對于凸形端蓋：L圓筒長封頭直邊段 端蓋深度l對于法蘭：L兩法蘭面之間的距離l對于加強圈：L加強圈中心

4、線之間的距離第一節(jié) 概述 3110外壓容器的設計參數(shù) 3、外壓容器的設計計算 “ 設計規(guī)定”穩(wěn)定性系數(shù)m3，此時要求圓筒的不圓度 e 0.5%Dg，且e 25mm.第一節(jié) 概述 mPPPcr11第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計算 一、受均布側(cè)向外壓的長圓筒的臨界壓力 二、受均布側(cè)向外壓短圓筒的臨界壓力 三、軸向受壓圓筒的臨界應力12第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計算一、受均布側(cè)向外壓的長圓筒的臨界壓力 基本概念：長圓筒與短圓筒 l當圓筒的長度與直徑之比較大時，其中間部分將不受兩端封頭或加強圈的支持作用，彈性失穩(wěn)時形成n=2的波數(shù)，這種圓筒稱為長圓筒，長圓筒的臨界壓力與長度無關，僅與圓筒厚度與直徑的

5、比值有關。 長圓筒臨界壓力：l當圓筒的長度與直徑之比較小，失穩(wěn)波數(shù)大于2時，稱為短圓筒。302 . 2DtEPcr短圓筒臨界壓力：oocrDLDtEP5 . 2/59. 2Do為圓筒外徑13(一) 圓環(huán)的臨界載荷l當圓筒的長度與直徑之比較大時，其中間部分將不受兩端封頭或加強圈的支持作用，彈性失穩(wěn)時橫截面形成n2的波數(shù)，這種圓筒稱為長圓筒。 l長圓筒的臨界壓力與長度無關，僅與圓筒壁厚與直徑的比值有關 第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計算一、受均布側(cè)向外壓的長圓筒的臨界壓力l當圓筒的相對長度較小，兩端的約束作用不能忽視，臨界壓力不僅和壁厚與直徑之比有關，而且和長度與直徑之比有關，失穩(wěn)的波數(shù)n大于2，稱

6、為短圓筒。 14第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計算一、受均布側(cè)向外壓的長圓筒的臨界壓力(一) 圓環(huán)的臨界載荷圓環(huán)臨界載荷的表達式： 圓環(huán)的慣性矩圓筒的抗彎剛度鋼質(zhì)圓筒， =0.3高度為1的圓環(huán)15(一)未加強圓筒的臨界壓力第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力Mises在1914年按線性小撓度理論導出短圓筒的臨界壓力公式：16(一)未加強圓筒的臨界壓力第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力17(二)臨界長度第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力圖4-618(二)帶加強圈的圓筒第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計算

7、二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力 在既定直徑與材料下，提高外壓容器的臨界壓力，可增加筒體厚度或減小計算長度，從減輕容器重量、節(jié)約貴重金屬出發(fā)，減小計算長度更有利。在結(jié)構(gòu)上即是在圓筒的內(nèi)部或外部相隔一定的距離焊接用型鋼做的加強圈，如圖所示。因為計算假設圓筒與加強圈同時發(fā)生失穩(wěn)，所以它們達到失穩(wěn)的必要條件是加強圈必須有足夠的剛度或截面慣性矩。 每一加強圈可考慮承受圈兩側(cè)Ls/2距離內(nèi)的外載荷。殼體和加強圈一起承受每單位周長的臨界載荷等于pcrLs，得： 19(二)帶加強圈的圓筒第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力對于能起加強作用的有效圓筒器壁與加強圈的組合慣性矩

8、可考慮等效于一單層較厚圓筒，其厚度稱為等效厚度te，大小為： 得： 這是帶加強圈圓筒保持穩(wěn)定所必需的最小加強圈與有效殼體組合截面的慣性矩，它是下一節(jié)設計帶加強圈外壓圓筒的基本公式之一。 20(三)軸向受壓圓筒的臨界壓力第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力 對于受軸向壓縮的有限長的薄壁圓筒，不論其是軸對稱失穩(wěn)還是非軸對稱失穩(wěn)，按線性小撓度理論得到的臨界應力的結(jié)果是一樣的，即： 由于線性臨界載荷值實際遠大于實驗值。必須考慮非線性分析。用非線性前屈曲理論和實驗研究結(jié)果，得到下式的臨界壓力的經(jīng)驗表達式： 21(四)非彈性失穩(wěn)的工程計算第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計算二、

9、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力 上述分析均假設薄壁圓筒的失穩(wěn)在彈性范圍內(nèi)，即器壁中的壓縮應力不大于材料的比例極限。當該應力超過比例極限，圓筒屬于非彈性失穩(wěn)范疇。若按彈塑性失穩(wěn)進行理論分析將十分復雜，工程上通常采用近似的處理方法，即利用材料超過比例極限的壓縮應變曲線上的切線模量Et(圖49)，代替以上彈性假設下確定臨界壓力的公式中彈性模量E，按此計算的結(jié)果與實驗結(jié)果比較接近。如對于長圓筒，則有： 22第二節(jié) 外壓薄壁圓筒的穩(wěn)定性計算二、受均布側(cè)向外壓的短圓筒的臨界壓力歸納：計算法的步驟：l判斷是屬于長圓筒還是短圓筒l大于該值用長圓筒公式計算l小于該值用短圓筒公式計算23第三節(jié) 外壓圓筒的設計計

10、算一、圖算法的原理 由外壓圓筒的失穩(wěn)分析可知，計算圓筒的臨界壓力首先要確定圓筒包括壁厚在內(nèi)的幾何尺寸，但在設計計算之前壁厚尚是未知量，所以需要一個反復試算的步驟。若用解析法進行外壓容器的計算就比較繁復，國外有關設計規(guī)范推薦采用比較簡便的圖算方法，中國容器標準也借鑒此法。本節(jié)介紹外壓圓筒及帶加強圈圓筒的加強圈圖算法的原理和用法。 4-84-1524第三節(jié) 外壓圓筒的設計計算一、圖算法的原理外壓圓筒按照圓筒的長度可以分為三種：l長圓筒 臨界壓力除與材料的E、有關外，與圓筒長度無關，僅與壁厚t 和直徑 D0有關，即LL0時，臨界壓力由式(4-7)或式(4-8)給出。 l短圓筒 失穩(wěn)時波數(shù) n 2，波

11、數(shù)與 t/D 和 L/D 的比值有關，形成不同波數(shù)的臨界壓力也不同，它們的臨界壓力與t/D 和L/D 有關，即LLcr時，臨界壓力按式(415)計算。 l剛性圓筒 失效是由于器壁中的壓應力達到材料的屈服強度而引起的塑性屈服破壞，因此不存在穩(wěn)定性問題，其性質(zhì)與厚壁圓筒相同，只需校核強度是否足夠，L的影響不計。 4-84-1525 假定材料的應力應變曲線為理想彈塑性模型，則對不同的t/D0值可在雙對數(shù)坐標紙上標繪強度和失穩(wěn)失效曲線，如圖所示。它由三部分組成，代表三種圓筒的力學特征。曲線也可以用另一種方式標繪：第三節(jié) 外壓圓筒的設計計算一、圖算法的原理26第三節(jié) 外壓圓筒的設計計算一、圖算法的原理設

12、27第三節(jié) 外壓圓筒的設計計算一、圖算法的原理28第三節(jié) 外壓圓筒的設計計算二、圖算法的計算步驟29第三節(jié) 外壓圓筒的設計計算二、圖算法的計算步驟30第三節(jié) 外壓圓筒的設計計算三、有關設計參數(shù)的規(guī)定(一)設計壓力和壓力試驗壓力 設計壓力的定義與內(nèi)壓容器相同，但其取法不同。外壓容器的設計壓力應取在正常工作過程中可能產(chǎn)生的最大內(nèi)外壓力差；真空容器按外壓容器計算，l 當裝有安全控制裝置時，取1.25倍最大內(nèi)外壓力差或0.1MPa兩者中的較小值；l 當無安全裝置時，取0.1MPa。對于帶夾套的容器應考慮可能出現(xiàn)最大壓差的危險工況，例如當內(nèi)筒容器突然泄壓而夾套內(nèi)仍有壓力時所產(chǎn)生的最大壓差。對于帶夾套的真

13、空容器，則按上述真空容器選取的設計外壓力加上夾套內(nèi)的設計內(nèi)壓力一起作為設計外壓。31第三節(jié) 外壓圓筒的設計計算三、有關設計參數(shù)的規(guī)定(一)設計壓力和壓力試驗壓力外壓容器的壓力試驗分為兩種情況：l 不帶夾套的外壓容器和真空容器，以內(nèi)壓進行壓力試驗，所以試驗壓力取法同前面內(nèi)壓容器所述； l 帶夾套外壓容器，則分別確定內(nèi)筒和夾套的試驗壓力，除內(nèi)筒試驗壓力按確定，因夾套一般受內(nèi)壓，故在按內(nèi)壓容器確定了夾套的試驗壓力以后，必須按內(nèi)筒的有效厚度校核在該試驗壓力下內(nèi)筒的穩(wěn)定性。若內(nèi)筒不能保證足夠的穩(wěn)定性，或增加內(nèi)筒厚度或在壓力試驗過程中內(nèi)筒保持一定的壓力，以保證整個試壓過程中夾套和簡體的壓差不超過確定的允許試驗壓差。 32第三節(jié) 外壓圓筒的設計計算四、加強圈的設計計算(一)加強圈尺寸 外壓圓筒上設置加強圈借以縮短計算長度，達到減少壁厚的目的。為了保證殼體與加強圈的穩(wěn)定性，加強圈必須有合適的尺寸， 33第三節(jié) 外壓圓筒的設計計算四、加強圈的設計計算(一)加強圈尺寸 先假定加強圈的個數(shù)與間距Ls(LsLcr)，然后選擇加強圈尺寸，計算或由手冊查得As，確定有效殼體的作用寬度，計算加強圈與有效殼體實際的組合慣性矩Js。加強圈