化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第9章外壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)課件

第九章外壓薄壁圓筒與封頭的設(shè)計(jì)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(jì)第四節(jié)外壓球殼與凸形封頭的設(shè)計(jì)第五節(jié)加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)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(diǎn)：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(qiáng)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(diǎn)時(shí)，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(yùn)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(jì)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(yàn)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(shí)，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(shí)，存在加強(qiáng)圈得筒體臨界壓力高。計(jì)算長度：指兩個(gè)剛性構(gòu)件（如法蘭、端蓋、管板及加強(qiáng)圈等）間的距離。對與封頭相聯(lián)的筒體來說，計(jì)算長度應(yīng)計(jì)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(qiáng)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(qiáng)，因而其臨界壓力也就越高。【注意】鋼材的E和μ值相差不大，選用高強(qiáng)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?yàn)榧词箽んw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(shí)也會(huì)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(jì)算長度）。失穩(wěn)時(shí)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(shí)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(diǎn)所致，而不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)?！L圓筒或短圓筒，要同時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定性校驗(yàn)，后者更重要。四、臨界壓力的理論計(jì)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(jì)算公式3.剛性圓筒剛性圓筒不會(huì)失穩(wěn)破壞，只需進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn)。其強(qiáng)度校驗(yàn)公式與計(jì)算內(nèi)壓圓筒的公式一樣。強(qiáng)度校核許用外壓校核－材料設(shè)計(jì)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(huì)失穩(wěn)破壞，只需進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn)。其強(qiáng)度校驗(yàn)公式與計(jì)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(jì)一、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則二、外壓圓筒壁厚設(shè)計(jì)的圖算法三、外壓容器的試壓一、設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)準(zhǔn)則必須使設(shè)計(jì)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(jì)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?chǔ)艦椋号R界壓力作用下長圓筒與短圓筒內(nèi)的應(yīng)變?chǔ)?、ε’為?/p>

長圓筒應(yīng)變短圓筒應(yīng)變二、外壓圓筒壁厚設(shè)計(jì)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(diǎn)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(gè)尺寸已知的外壓圓筒失穩(wěn)時(shí)筒壁環(huán)向應(yīng)變是多少。

一個(gè)尺寸已知的外壓圓筒，當(dāng)它失穩(wěn)時(shí)，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(jì)的圖算法1.算圖的由來若將失穩(wěn)時(shí)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(shí)的環(huán)向應(yīng)變?chǔ)艦槊浇?，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(gè)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(jì)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(shí)，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(shí)（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(gè)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(diǎn)，所以有一系列的A－B圖。二、外壓圓筒壁厚設(shè)計(jì)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(jì)溫度下材料線的右方，則過此點(diǎn)垂直上移，與設(shè)計(jì)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(diǎn)沿水平方向右移，在圖的右方得到系數(shù)B，并按下式計(jì)算許用外壓力[p]：若A值落在設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)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(jì)算A值：系數(shù)A>0.1時(shí)，取A=0.1。②用①所得的系數(shù)B，按下式計(jì)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(jì)一、外壓球殼和球形封頭的設(shè)計(jì)二、凸面受壓封頭的設(shè)計(jì)一、外壓球殼和球形封頭的設(shè)計(jì)①假設(shè)Sn，令Se=Sn-C，而后定出比值Ro/Se值；②用下式計(jì)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(jì)溫度下材料線的右方，則過此點(diǎn)垂直上移，與設(shè)計(jì)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(diǎn)沿水平方向右移，在圖的右方得到系數(shù)B，并按下式計(jì)算許用外壓力[p]：若A值落在設(shè)計(jì)溫度下材料線的左方，按下式計(jì)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(jì)算步驟，直至[p]大于且接近p時(shí)為止。二、凸面受壓封頭的設(shè)計(jì)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(jì)?！咀⒁狻坑?jì)算過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(jì)一外壓橢圓形封頭的壁厚。已知設(shè)計(jì)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(jì)溫度400℃，壁厚附加量C=2mm，材質(zhì)16MnR。第五節(jié)加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)一、加強(qiáng)圈的作用與結(jié)構(gòu)二、加強(qiáng)圈的間距三、加強(qiáng)圈尺寸設(shè)計(jì)四、加強(qiáng)圈與筒體間的連接一、加強(qiáng)圈的作用與結(jié)構(gòu)1.加強(qiáng)圈的作用設(shè)計(jì)外壓圓筒時(shí)，在試算過程中，如果許用外壓力[p]小于設(shè)計(jì)外壓力p，則必須增加圓筒的壁厚或縮短圓筒的計(jì)算長度。當(dāng)圓筒的直徑和厚度不變時(shí)，減小圓筒的計(jì)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(qiáng)圈的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)圈應(yīng)有足夠的剛性，常用扁鋼、角鋼、工字鋼或其他型鋼，因?yàn)樾弯摻孛鎽T性矩較大，剛性較好。二、加強(qiáng)圈的間距鋼制短圓筒的臨界壓力公式圓筒的D0、Se一定時(shí)，外壓圓筒臨界壓力和允許最大工作外壓隨著筒體加強(qiáng)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(qiáng)圈的最大間距值為：

加強(qiáng)圈的個(gè)數(shù)等于圓筒不設(shè)加強(qiáng)圈的計(jì)算長度L除以所需加強(qiáng)圈間距LS再減去1，即加強(qiáng)圈個(gè)數(shù)n=(L/Ls)-1。三、加強(qiáng)圈尺寸設(shè)計(jì)①根據(jù)圓筒的外壓計(jì)算，D0、Ls和Se均為已知，選定加強(qiáng)圈材料與截面尺寸并計(jì)算其橫截面積As和加強(qiáng)圈與殼體有效段組合截面的慣性矩Is。②用下式計(jì)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(diǎn)，則按下式計(jì)算A值：④計(jì)算加強(qiáng)圈與殼體組合截