化工设备设计基础 第9章 外压薄壁圆筒与封头的强度设计.ppt
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1、第九章第九章 外压薄壁圆筒与封头的设计外压薄壁圆筒与封头的设计第一节第一节 概概 述述第二节第二节 临界压力临界压力第三节第三节 外压圆筒的工程设计外压圆筒的工程设计第四节第四节 外压球壳与凸形封头的设计外压球壳与凸形封头的设计第五节第五节 加强圈的设计加强圈的设计第一节第一节 概概 述述一、外压容器的失稳一、外压容器的失稳二、容器失稳型式的分类二、容器失稳型式的分类一、外压容器的失稳一、外压容器的失稳n外压容器外压容器:壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。:壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。n应力特点应力特点:容器受到外压作用后,在筒壁内将产生经:容器受到外压作用后,在筒壁内将产生经向和环
2、向压缩应力。向和环向压缩应力。n失效类型失效类型:n强度破坏强度破坏(很少发生);(很少发生);n失稳破坏失稳破坏(主要失效形式):外压圆筒筒壁内的压缩应力(主要失效形式):外压圆筒筒壁内的压缩应力远低于材料的屈服点时,筒壁就已经被突然远低于材料的屈服点时,筒壁就已经被突然压瘪或发生褶压瘪或发生褶绉绉,即在一瞬间失去自身原来的形状。,即在一瞬间失去自身原来的形状。n弹性失稳弹性失稳:筒体在外压作用下突然失去原来形状,应:筒体在外压作用下突然失去原来形状,应力也由失稳前的压缩应力为主变成以弯曲应力为主的力也由失稳前的压缩应力为主变成以弯曲应力为主的复杂的附加应力。复杂的附加应力。二、容器失稳型式
3、的分类二、容器失稳型式的分类n1.侧向失稳侧向失稳n容器由于均匀侧向外压引起的失稳叫做侧向失稳,侧向失稳容器由于均匀侧向外压引起的失稳叫做侧向失稳,侧向失稳时壳体断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形。时壳体断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形。二、容器失稳型式的分类二、容器失稳型式的分类n1.侧向失稳侧向失稳二、容器失稳型式的分类二、容器失稳型式的分类n2.轴向失稳轴向失稳n3.局部失稳局部失稳薄壁圆筒在轴向外压作用下引薄壁圆筒在轴向外压作用下引起的失稳。失稳后仍具有圆形起的失稳。失稳后仍具有圆形的环截面,但是破坏了母线的的环截面,但是破坏了母线的直线性,母线产生了波形,即直线性,母线产生了波形,即圆
4、筒发生了褶绉。圆筒发生了褶绉。容器在支座或其他支承处以容器在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的及在安装运输中由于过大的局部外压引起的局部失稳。局部外压引起的局部失稳。第二节第二节 临界压力临界压力一、临界压力一、临界压力二、影响临界压力的因素二、影响临界压力的因素三、外压圆筒的分类三、外压圆筒的分类四、临界压力的理论计算公式四、临界压力的理论计算公式五、临界长度五、临界长度一、临界压力一、临界压力n承受外压的容器在外压达临界值之前,壳体也能发生弹性承受外压的容器在外压达临界值之前,壳体也能发生弹性压缩变形;压力卸除后壳体可恢复为原来的形状。一旦当压缩变形;压力卸除后壳体可恢复为原来的形
5、状。一旦当外压力增大到某一临界值时,筒体的形状发生永久变形,外压力增大到某一临界值时,筒体的形状发生永久变形,就失去了原来的稳定性。就失去了原来的稳定性。n导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力,导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力,以以Pcr表示。表示。n筒体在临界压力作用下,筒壁内存在的压应力筒体在临界压力作用下,筒壁内存在的压应力称为临界压应力,以称为临界压应力,以cr表示。表示。二、影响临界压力的因素二、影响临界压力的因素n1.筒体几何尺寸筒体几何尺寸n试验证明:影响筒体临界压力的几何尺寸主要有筒体的长度试验证明:影响筒体临界压力的几何尺寸主要有筒体的长度L、筒体壁厚、筒体壁厚S以及
6、筒体直径以及筒体直径D,并且:,并且:n 长度长度L一定时,一定时,S/D越大,圆筒的临界压力越高;越大,圆筒的临界压力越高;n 圆筒的圆筒的S/D相同,筒体越短临界压力越高;相同,筒体越短临界压力越高;n 筒体的筒体的S/D和和L/D值均相同时,存在加强圈得筒体临界压力高。值均相同时,存在加强圈得筒体临界压力高。n计算长度计算长度:指两个刚性构件(如法兰、端盖、管板及加强圈等)间的距离。:指两个刚性构件(如法兰、端盖、管板及加强圈等)间的距离。对与封头相联的筒体来说,计算长度应计入凸形封头对与封头相联的筒体来说,计算长度应计入凸形封头1/3凸面高度。凸面高度。二、影响临界压力的因素二、影响临
7、界压力的因素n2.筒体材料性能的影响筒体材料性能的影响n筒体的临界压力与材料的强度没有直接关系。材料的弹性模量筒体的临界压力与材料的强度没有直接关系。材料的弹性模量E和泊松比和泊松比值越大,抵抗变形的能力就越强,因而其临界压力也就越高。值越大,抵抗变形的能力就越强,因而其临界压力也就越高。n【注意注意】钢材的钢材的E和和值相差不大,选用高强度钢代替一般碳钢制造外压值相差不大,选用高强度钢代替一般碳钢制造外压容器,不能提高筒体的临界压力。容器,不能提高筒体的临界压力。n3.筒体椭圆度和材料不均匀筒体椭圆度和材料不均匀n稳定性破坏主要原因不是壳体存在椭圆度或材料不均匀。因为即使壳体的稳定性破坏主要
8、原因不是壳体存在椭圆度或材料不均匀。因为即使壳体的形状很精确和材料很均匀,当外压力达到一定数值时也会失稳。形状很精确和材料很均匀,当外压力达到一定数值时也会失稳。n壳体的椭圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的数值降低,即能使失稳壳体的椭圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的数值降低,即能使失稳提前发生。提前发生。n载荷不对称性,边界条件等因素载荷不对称性,边界条件等因素三、外压圆筒的分类三、外压圆筒的分类n1.长圆筒长圆筒n圆筒的圆筒的L/D0较大,两端的边界影响可以忽略,临界压力较大,两端的边界影响可以忽略,临界压力Pcr仅仅与与Se/D0有关,而与有关,而与L/D0无关(无关(L为圆筒的计算
9、长度)。失稳为圆筒的计算长度)。失稳时波形数时波形数n=2。n2.短圆筒短圆筒n两端的边界影响显著,临界压力两端的边界影响显著,临界压力Pcr不仅与不仅与Se/D0有关,而且有关,而且与与L/D0也有关,筒失稳时波形数也有关,筒失稳时波形数n为大于为大于2的整数。的整数。n3.刚性圆筒刚性圆筒n圆筒的圆筒的L/D0较小,而较小,而Se/D0较大,故刚性较好。其破坏原因较大,故刚性较好。其破坏原因是由于器壁内的应力超过了材料的屈服点所致,而不会发生是由于器壁内的应力超过了材料的屈服点所致,而不会发生失稳。失稳。n 长圆筒或短圆筒,要同时进行强度计算和稳定性校长圆筒或短圆筒,要同时进行强度计算和稳
10、定性校验,后者更重要。验,后者更重要。四、临界压力的理论计算公式四、临界压力的理论计算公式n1.钢制长圆筒钢制长圆筒临界压力公式临界压力公式钢制圆筒钢制圆筒(=0.3)临界应力公式临界应力公式式中式中 Pcr临界压力,临界压力,MPa;Et设计温度下材料的弹性模数,设计温度下材料的弹性模数,MPa;Se筒体的有效壁厚,筒体的有效壁厚,mm;D0筒体的外直径,筒体的外直径,mm;材料的泊桑比。材料的泊桑比。注意注意长圆筒的临界长圆筒的临界压力仅与圆筒的材料和压力仅与圆筒的材料和圆筒的壁厚与直径之比圆筒的壁厚与直径之比Se/D0有关,而与圆筒的有关,而与圆筒的长径比长径比L/D0无关。无关。四、临
11、界压力的理论计算公式四、临界压力的理论计算公式n2.钢制短圆筒钢制短圆筒临界压力公式临界压力公式注意注意短圆筒的临界压力除与圆筒的材料和圆筒的壁厚与直短圆筒的临界压力除与圆筒的材料和圆筒的壁厚与直径之比径之比Se/D0有关,而且与有关,而且与L/D0也有关也有关 临界应力公式临界应力公式四、临界压力的理论计算公式四、临界压力的理论计算公式n3.刚性圆筒刚性圆筒n刚性圆筒不会失稳破坏,只需进行强度校验。其强度校验公刚性圆筒不会失稳破坏,只需进行强度校验。其强度校验公式与计算内压圆筒的公式一样。式与计算内压圆筒的公式一样。强度校核强度校核许用外压校核许用外压校核材料设计温度的许用压应力,可取材料设
12、计温度的许用压应力,可取 =s/4;五、临界长度五、临界长度n1.长、短圆筒的临界长度长、短圆筒的临界长度n刚刚性性圆圆筒筒不不会会失失稳稳破破坏坏,只只需需进进行行强强度度校校验验。其其强强度度校校验公式与计算内压圆筒的公式一样。验公式与计算内压圆筒的公式一样。五、临界长度五、临界长度n2.短、刚性圆筒的临界长度短、刚性圆筒的临界长度nL LLcrLcr时,长圆筒;时,长圆筒;nLcrLcrL LL Lcrcr,短圆筒;,短圆筒;nL LL Lcrcr,刚性圆筒。,刚性圆筒。第三节第三节 外压圆筒的工程设计外压圆筒的工程设计一、设计准则一、设计准则二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚
13、设计的图算法三、外压容器的试压三、外压容器的试压一、设计准则一、设计准则n1.许用压力的确定许用压力的确定n工程上在外压力等于或接近于临界压力工程上在外压力等于或接近于临界压力pcr时进行操作是绝不时进行操作是绝不允许的,必须使许用压力允许的,必须使许用压力p比临界压力小比临界压力小m倍,即:倍,即:n nm稳定安全系数,根据稳定安全系数,根据GBl5098钢制压力容器钢制压力容器规定:规定:n对圆筒、锥壳取对圆筒、锥壳取m=3.0;n球壳、椭圆形和碟形封头取球壳、椭圆形和碟形封头取m=15。n2.设计准则设计准则n必须使设计压力必须使设计压力pp,并接近,并接近p,则所确定的筒体壁厚才,则所
14、确定的筒体壁厚才是满足外压稳定的合理要求。是满足外压稳定的合理要求。二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n1.算图的由来算图的由来n临界压力作用下,筒壁产生的环向应力临界压力作用下,筒壁产生的环向应力cr及应变及应变为:为:n临界压力作用下长圆筒与短圆筒内的应变临界压力作用下长圆筒与短圆筒内的应变、为:为:长圆筒应变长圆筒应变短圆筒应变短圆筒应变二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n1.算图的由来算图的由来n外压圆筒失稳时,筒壁的环向应变值与筒体几何尺寸(外压圆筒失稳时,筒壁的环向应变值与筒体几何尺寸(Se,D0,L)之间)之间的关系的关系n对于一个壁厚
15、和直径已经确定的筒体(即该筒的对于一个壁厚和直径已经确定的筒体(即该筒的D0/Se的值)的值)来说,筒体失稳时的环向应变来说,筒体失稳时的环向应变值将只是值将只是L/D0的函数,不同的的函数,不同的L/D0值的圆筒体,失稳时将产生不同的值的圆筒体,失稳时将产生不同的值。以值。以为横坐标,为横坐标,以以L/D0为纵坐标,就可得到一系列具有不同为纵坐标,就可得到一系列具有不同D0/Se值筒体的值筒体的L/D0的关系曲线图,图中以系数的关系曲线图,图中以系数A代替代替(见教材(见教材P211图图113)。)。二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n1.算图的由来算图的由来n垂直线段
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