外壓圓筒設(shè)計

外壓圓筒設(shè)計第1頁/共56頁一、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。第2頁/共56頁失穩(wěn)的概念：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。也會發(fā)生強度破壞。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)。容器發(fā)生彈性失穩(wěn)將使容器不能維持正常操作，造成容器失效。第3頁/共56頁失穩(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。

第4頁/共56頁5第5頁/共56頁二、容器失穩(wěn)形式第6頁/共56頁㈠側(cè)向失穩(wěn)由于均勻側(cè)向外壓引起失穩(wěn)叫側(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……。第7頁/共56頁㈡軸向失穩(wěn)

薄壁圓筒承受軸向外壓，當(dāng)載荷達(dá)到某一數(shù)值時，也會喪失穩(wěn)定性。失穩(wěn)，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。第8頁/共56頁㈢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)。第9頁/共56頁三、臨界壓力計算臨界壓力：導(dǎo)致筒體失穩(wěn)的外壓，Pcr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scr表示。外壓低于Pcr，變形在壓力卸除后能恢復(fù)其原先形狀，即發(fā)生彈性變形。達(dá)到或高于Pcr時，產(chǎn)生的曲波形將是不可能恢復(fù)的。第10頁/共56頁臨界壓力與哪些因素有關(guān)？失穩(wěn)是固有性質(zhì)，不是由于圓筒不圓或是材料不均或其它原因所導(dǎo)致。每一具體的外壓圓筒結(jié)構(gòu)，都客觀上對應(yīng)著一個固有的臨界壓力值。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)。第11頁/共56頁12第一組（①②）：L/D相同時，δ/D大者臨界壓力高；第二組（②③）：δ/D相同時，L/D小者臨界壓力高；第三組（③④）：δ/D、L/D相同，有加強圈者臨界壓力高。1、筒體幾何尺寸的影響第12頁/共56頁13材料的彈性模數(shù)E和泊桑比μ越大，其抵抗變形的能力就越強，因而其臨界壓力也就越高。但是，由于各種鋼材的E和μ值相差不大，所以選用高強度鋼代替一般碳素鋼制造外壓容器，并不能提高筒體的臨界壓力2、筒體材料性能的影響第13頁/共56頁14穩(wěn)定性的破壞并不是由于殼體存在橢圓度或材料不均勻而引起的。無論殼體的形狀多么精確，材料多么均勻，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，使失穩(wěn)提前發(fā)生。3、筒體橢圓度和材料不均勻性的影響第14頁/共56頁根據(jù)失穩(wěn)情況將外壓圓筒分為三類：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，de/D0較大，容器的剛性好，不會因失穩(wěn)而破壞。第15頁/共56頁㈠長圓筒

式中Pcr-臨界壓力，MPa；de-筒體的有效厚度，mm；D0-筒體的外直徑，mmEt-操作溫度下圓筒材料的彈性模量，MPa

m-材料的泊桑比。長圓筒的臨界壓力計算公式：第16頁/共56頁分析：長圓筒的臨界壓力僅與圓筒的相對厚度de/D0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

第17頁/共56頁㈡短圓筒短圓筒的臨界壓力計算公式為：

短圓筒臨界壓力與相對厚度de/D0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。第18頁/共56頁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。第19頁/共56頁臨界壓力計算公式使用范圍：臨界壓力計算公式在認(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(dāng)外壓力達(dá)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。

第20頁/共56頁㈢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。

第21頁/共56頁㈣臨界長度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。當(dāng)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)相等第22頁/共56頁得：

當(dāng)筒長度L≥Lcr，Pcr按長圓筒當(dāng)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。第23頁/共56頁四、外壓圓筒的設(shè)計㈠算法概述

外壓圓筒計算常遇到兩類問題：一是已知圓筒的尺寸，求它的許用外壓[p]；另一是已給定工作外壓，確定所需厚度de。第24頁/共56頁1．許用外壓[p]圓度，長圓筒或管子一般壓力達(dá)到臨界壓力值的l／2～1／3時就可能會被壓癟。大于計算壓力的工況，不允許在外壓力等于或接近于臨界壓力，必須有一定的安全裕度，使許用壓力比臨界壓力小，即

[p]-許用外壓；m-穩(wěn)定安全系數(shù)，m>1第25頁/共56頁穩(wěn)定安全系數(shù)m的選取主要考慮兩個因素：一個是計算公式的可靠性；另一個是制造上所能保證的圓度。根據(jù)GB150-1998《鋼制壓力容器》的規(guī)定m=3，圓度與D0/de、L/D0有關(guān)。第26頁/共56頁第27頁/共56頁2．設(shè)計外壓容器由于Pcr或[p]都與筒體的幾何尺寸（de、D0、L）有關(guān)，通常采用試算法：設(shè)計外壓容器，應(yīng)使許用外壓[p]小于臨界壓力Pcr，即穩(wěn)定條件為：第28頁/共56頁試算法：由工藝條件定內(nèi)徑和筒體長度先假定一個de，根據(jù)筒體計算長度判斷屬于長圓筒還是短圓筒，再代入相應(yīng)臨界壓力計算式。求出相應(yīng)的[p],然后比較[p]是否大于或接近設(shè)計壓力p，以判斷假設(shè)是否合理。第29頁/共56頁設(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。第30頁/共56頁31外壓圓筒壁厚設(shè)計圖算法的基本思路1.根據(jù)幾何尺寸查圖10-15，得到臨界應(yīng)變（即參數(shù)A）；2.根據(jù)參數(shù)A查圖10-16至圖10-20，得到2/3倍臨界應(yīng)力（即參數(shù)B）；3.根據(jù)參數(shù)B計算許用外壓力[p]。（二）圖算

第31頁/共56頁周向應(yīng)變以A代替第32頁/共56頁第33頁/共56頁第34頁/共56頁（三）外壓圓筒厚度設(shè)計方法

利用算圖確定外壓圓筒厚度。步驟如下：

1．D0/de≥20的外壓圓筒及外壓管

a.假設(shè)dn,計算de＝dn-C,定出L/D0、D0/de值

b.在圖10-15外壓或軸壓受壓圓筒和管子幾何參數(shù)計算圖中得到系數(shù)A；第35頁/共56頁

c.根據(jù)所用材料，從A-B關(guān)系圖（圖10-16至圖10-20）中選用，讀出B值，并按式（10-25）或（10-26）計算許用外壓力[p]：第36頁/共56頁d.比較許用外壓[p]與設(shè)計外壓p若p≤[p]，假設(shè)的厚度dn可用，若小得過多，可將dn適當(dāng)減小，重復(fù)上述計算若p＞[p]，需增大初設(shè)的dn，重復(fù)上述計算，直至使[p]＞p且接近p為止。第37頁/共56頁2.D0/de＜20的外壓圓筒及外壓管子a．用與D0/de≥20相同的方法得到系數(shù)B，但對D0/de＜4圓筒及管子計算系數(shù)A值：系數(shù)A＞0.1時，取A=0.1；第38頁/共56頁b．計算[p]l和[p]2。取[p]l和[p]2中的較小值為許用外壓[p]s0取以下兩式中的較小值第39頁/共56頁c．比較許用外壓[p]與設(shè)計外壓p若p≤[p]，假設(shè)的厚度dn可用，若小得過多，可將dn適當(dāng)減小，重復(fù)上述計算若p＞[p]，需增大初設(shè)的dn，重復(fù)上述計算，直至使[p]＞p且接近p為止。第40頁/共56頁五、外壓容器的試壓

外壓容器和真空容器按內(nèi)壓容器進(jìn)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。第41頁/共56頁夾套容器內(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(fù)值時按外壓容器進(jìn)行液壓試驗。第42頁/共56頁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。第43頁/共56頁例4-3：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。

塔的計算長度鋼板負(fù)偏差均為0.3mm鋼板的腐蝕裕量取1mm。有效厚度為7.7、10.7和12.7mm。簡化計算，有效厚度7、10和12mm第44頁/共56頁當(dāng)de=7mm時查圖10-15得A=0.000085。20g鋼板的ss=250MPa（查附錄7），查圖10-17，A值點落在材料溫度線得左方，故20g鋼板370℃時的E=1.69×105MPa[p]＜0.1MPa，所以9mm鋼板不能用。第45頁/共56頁當(dāng)de=10mm時

查圖10-15得A=0.000013。查圖10-17，A值所在點仍在材料溫度線得左方，故

[p]＜0.1MPa，所以12mm鋼板也不能用。

第46頁/共56頁當(dāng)de=12mm時

查圖10-15得A=0.000018。查圖10-17，A值所在點仍在材料溫度線得左方，故

[p]＞0.1MPa，所以，須采用14mm厚的20g鋼板制造。第47頁/共56頁六、加強圈內(nèi)徑2000mm、全長7000mm的分餾塔，要保證在0.1MPa外壓下安全操作，須用14mm厚鋼板。較簿鋼板滿足不了外壓要求。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。

第48頁/共56頁加強圈的作用縮短計算長度，減少壁厚，達(dá)到