過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)--外壓圓筒設(shè)計(jì)

1、第四節(jié)第四節(jié) 外壓容器設(shè)計(jì)外壓容器設(shè)計(jì)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(shè)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(yīng)釜、 真空干燥、真空結(jié)晶設(shè)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(yīng)力，是壓應(yīng)力壓應(yīng)力。也會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞。2）容器強(qiáng)度足夠容器強(qiáng)度足夠(即：圓筒工作壓力遠(yuǎn)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(chēng)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(qiáng)度不夠引起的破壞，5 5）失穩(wěn)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)：）失穩(wěn)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)：外壓失穩(wěn)前，只有單純的壓縮應(yīng)力，失穩(wěn)時(shí)， 產(chǎn)生了以彎曲應(yīng)力為主的附加應(yīng)力。單純的壓應(yīng)力彎曲應(yīng)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(lái)的圓形被壓癟而呈現(xiàn)波形，其波形數(shù)可以等于兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)。v 薄壁圓筒承受軸向外壓，當(dāng)載荷達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，也會(huì)喪失穩(wěn)定性。v 失穩(wěn)，仍具有圓環(huán)截面，但破壞了母線(xiàn)的直線(xiàn)性，母線(xiàn)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(yùn)輸中由于過(guò)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(dǎo)致筒體失穩(wěn)的外壓，Pcr2)2)臨界應(yīng)力臨界應(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cr表示。 a.外壓低于Pcr，在壓力卸除后能恢復(fù)其原先形狀，即:發(fā)生彈性變形。 b.達(dá)到或高于Pcr時(shí)，產(chǎn)生的曲波形將是不可能恢復(fù)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(dǎo)致。b.每一具體的外壓圓筒結(jié)構(gòu)，都客觀(guān)上對(duì)應(yīng)著

4、一個(gè)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(lèi)：根據(jù)失穩(wěn)情況將外壓圓筒分為三類(lèi)：1)長(zhǎng)圓筒長(zhǎng)圓筒：剛性封頭對(duì)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(duì)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(huì)因失穩(wěn)而破壞剛性好，不會(huì)因失穩(wěn)而破壞。(1) (1) 長(zhǎng)圓筒長(zhǎng)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(zhǎng)圓筒的臨界壓力計(jì)算公式長(zhǎng)圓筒的臨界壓力計(jì)算公式：302)(12DEpetcrniDD20 b.長(zhǎng)圓筒的臨界壓力僅與圓筒的相對(duì)厚度相對(duì)厚度 e e/D/D0 0有關(guān)有關(guān)，而與 圓筒的相對(duì)長(zhǎng)度L/D0無(wú)關(guān)。對(duì)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(jì)算公式短圓筒的臨界壓力計(jì)算公式： b.短圓筒臨界壓力與相對(duì)厚度 e e/D/D0 0有關(guān)，也隨相對(duì)長(zhǎng)度有關(guān)，也隨相對(duì)長(zhǎng)度L/DL/D0 0變變化?；?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(jì)算長(zhǎng)度，為筒體計(jì)算長(zhǎng)度，指兩相鄰加強(qiáng)圈的間距兩相鄰加強(qiáng)圈的間距；對(duì)與封頭相連接的那段筒體而言，應(yīng)計(jì)入凸形封頭中的1/3的凸面高度。臨界壓力計(jì)算公式使用范圍：臨界壓力計(jì)算公式使用范圍： 臨界壓力計(jì)算公式在認(rèn)為圓筒截面是規(guī)則圓形及材料均勻的情況下得到的。 實(shí)際筒體都存在一定的圓度，不可能是絕對(duì)圓的，實(shí)際筒體臨界壓力將低于計(jì)算值。 當(dāng)外壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)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(qiáng)度破壞，計(jì)算時(shí)只要滿(mǎn)足強(qiáng)度要求即可，其強(qiáng)度校核公式與內(nèi)壓圓筒相同。 te

7、eictDp2（4 4） 臨界長(zhǎng)度臨界長(zhǎng)度a.實(shí)際外壓圓筒是長(zhǎng)圓筒還是短圓筒長(zhǎng)圓筒還是短圓筒，可根據(jù)臨界長(zhǎng)度L Lcrcr來(lái)判定。來(lái)判定。 b.當(dāng)圓筒處于臨界長(zhǎng)度Lcr時(shí)，長(zhǎng)圓筒公式計(jì)算臨界壓力Pcr值和短圓 筒公式計(jì)算臨界壓力Pcr值應(yīng)相等.)/()/(59.2)(20.205.2030DLDEDEetetecrDDL0017.1v ( (注：注：當(dāng)筒長(zhǎng)度筒長(zhǎng)度LLLLcrcr時(shí)，時(shí)，P Pcrcr按長(zhǎng)圓筒按長(zhǎng)圓筒; ;筒長(zhǎng)度筒長(zhǎng)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(gè)因素： 一個(gè)是計(jì)算公式的可靠性；另一個(gè)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(shè)計(jì)外壓容器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)外壓容器應(yīng)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(zhǎng)度先假定一個(gè) e，計(jì)算：ecrDDL0017.12）根據(jù)筒體計(jì)算長(zhǎng)度判斷屬于長(zhǎng)圓筒還是短圓筒，再代入相應(yīng)臨界壓力計(jì)算式。30)(2.2DEpetcr)/()/(59.205.20DLDEpecr 3）求出相應(yīng)p,然后比較p是否大于或接近設(shè)計(jì)壓力p，判斷假設(shè)是否合理。 pmpcr 外壓容器的設(shè)計(jì)壓力：外壓容器的設(shè)計(jì)壓力：不小

9、于正常工作過(guò)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(wú)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(shè)計(jì)壓力再加上夾套設(shè)計(jì)壓力作為 內(nèi)筒容器設(shè)計(jì)壓力。（二）圖算法（二）圖算法 長(zhǎng)、短圓筒臨界壓力計(jì)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(yīng)力為：200)(212DKEDpetecrcr00,DLDfe周向應(yīng)變以A代替 eDBp032,3

10、232的關(guān)系是即而B(niǎo)AAEAB 外壓圓筒厚度設(shè)計(jì)外壓圓筒厚度設(shè)計(jì)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(shè) n,計(jì)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(jì)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(jì)算許用外壓力p：eDBp/0)/(320eDAEpd.比較許用外壓p與設(shè)計(jì)外壓p。v若pp，假設(shè)的厚度 n可用，若小得過(guò)多，可將 n適當(dāng)減小，重復(fù)上述計(jì)算v若pp，

11、需增大初設(shè)的 n，重復(fù)上述計(jì)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(duì)D0/ e4圓筒及管子計(jì)算系數(shù)A值：系數(shù)A0.1時(shí)，取A=0.1； 20)/(1.1eDAb.計(jì)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(shè)計(jì)外壓pv若pp，假設(shè)的厚度 n可用，若小得過(guò)多，將 n適當(dāng)減小，重復(fù)上述計(jì)算v若pp，需增大初設(shè)的 n，重復(fù)上述計(jì)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(jìn)行液壓試驗(yàn)按內(nèi)壓容器進(jìn)行液壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力取1.25倍的設(shè)計(jì)外壓，即: ( (式中式中p-p-設(shè)計(jì)外壓力，設(shè)計(jì)外壓力，MpaMpa；p pT T- -試驗(yàn)壓力，試驗(yàn)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(shè)計(jì)壓力為正值時(shí)，按內(nèi)壓容器試壓；如設(shè)計(jì)壓力為負(fù)值時(shí)按外壓容器進(jìn)行液壓試驗(yàn)。 l夾套容器夾套容器液壓試驗(yàn)合格后再焊接夾套。夾套內(nèi)壓試驗(yàn)壓力l夾套夾套內(nèi)壓試驗(yàn)必須事先校核該容器在夾套試壓時(shí)的穩(wěn)定性是否足夠。l不滿(mǎn)足穩(wěn)定性，則液壓試驗(yàn)時(shí)容器內(nèi)保持一定壓力，以便在整個(gè)試壓過(guò)程中，夾套與筒體的壓力差不超過(guò)設(shè)

13、計(jì)值。2）外壓容器壓力試驗(yàn)的方法、要求及試驗(yàn)前對(duì)圓筒應(yīng)力的校核與內(nèi)壓容器相同。tTpp25.11 1）加強(qiáng)圈作用）加強(qiáng)圈作用：提高外壓容器的穩(wěn)定性（利用圈對(duì)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(dāng)承載要求一定時(shí)，設(shè)置加強(qiáng)圈可減少壁厚，節(jié)省材料） 2 2）加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)和要求）加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)和要求： 加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)：扁鋼、角鋼和工字鋼等都以制作加強(qiáng)圈，材料采用 碳鋼。 加強(qiáng)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(duì)筒體的支承作用。)/()/(59.205.20DLDEpecr加強(qiáng)圈最大間距：加強(qiáng)圈最大間距： 外壓圓筒加強(qiáng)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(qiáng)圈最大間距： 加強(qiáng)圈實(shí)際間距小于或等于算出間距，表明該圓筒能安全承受設(shè)計(jì)壓力。加強(qiáng)圈實(shí)際間距小于或等于算出間距，表明該圓筒能安全承受設(shè)計(jì)壓力。加強(qiáng)圈可設(shè)置在容器的內(nèi)部或外部。加強(qiáng)圈可設(shè)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(dāng)加強(qiáng)圈在外面時(shí)，每側(cè)間斷焊接的總長(zhǎng)度不應(yīng)小于圓筒外圓周長(zhǎng)的1/2；l在里面，焊縫總長(zhǎng)度不應(yīng)小于內(nèi)圓周長(zhǎng)度1/3。l間斷焊最大間距，外加強(qiáng)圈不能大于筒體名義厚度8倍；內(nèi)加強(qiáng)圈不能大于筒體名義厚度12倍。l 為保證強(qiáng)度，加強(qiáng)圈不能任意削弱或割斷為保證

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