电子课件过程设备设计第五版 圆筒设计（二）.pptx

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2、载：/ziti/电电子子课课件件过过程程设备设计设备设计第五版第五版 圆圆筒筒设计设计（二）（二）过程设备设计压力容器设计目录 4.1 概述 4.2 设计准则 4.3 常规设计 4.4 分析设计 4.5 疲劳分析 4.6 压力容器设计技术进展目录4.3.3 封头设计 4.3.4 密封装置设计 4.3.5 开孔和开孔补强设计 4.3.6 支座和检查孔4.3.7 安全泄放装置 4.3.2 圆筒设计 4.3.1 概述 4.3.8 焊接结构设计 4.3.9 压力试验 工程设计方法主要内容加强圈的设计计算有关设计参数的规定圆筒轴向许用压应力的确定图算法的原理外压圆筒设计解析法图算法外压圆筒设计 假设筒体

3、的名义厚度 ；计算有效厚度 ；求出临界长度L Lcrcr，将圆筒的外压计算长度L L与L Lcrcr进行比较，判断圆筒属于长圆筒还是短圆筒；然后根据圆筒类型，选用相应公式计算临界压力 ；再选取合适的稳定性安全系数m m，计算许用外压 p=p=比较设计压力p和p的大小。若p小于等于p且较为接近，则假设的名义厚度 符合要求；否则应重新假设 ，重复以上步骤，直到满足要求为止。特点：反复试算，比较繁琐。一、解析法求取外压容器许用压力 假设：圆筒仅受径向均匀外压，而不受轴向外压，与圆环一样处于单向（周向）应力状态。中的中面直径D、厚度t相应改为外径Do、有效厚度 ，得：将式（2-92）（2-97）长圆筒

4、临界压力长圆筒临界压力二、图算法原理：（标准规范采用）不论长圆筒或短圆筒，失稳时周向应变（按单向应力时的虎克定律）为：（4-21）短圆筒临界压力短圆筒临界压力圆筒在 作用下，产生的周向应力为避开材料的弹性模量E（塑性状态为变量），采用应变表征失稳时的特征 长圆筒 （4-22）短圆筒（4-23）（4-24）将长、短圆筒的 公式分别代入应变式中，得径向受均匀外压，径向和轴向受相同外压的圆筒：与材料弹性模量E无关，对任何材料的筒体都适用。（1）几何参数计算图：A关系曲线令外压应变系数A=，以A为横坐标，为纵坐标，为参量绘成曲线；见图4-6。长圆筒与纵坐标平行的直线簇，失稳时外压应变系数A与L/Do无

5、关；短圆筒斜平行线簇，失稳时外压应变系数A与 、都有关。图4-6 外压应变系数A曲线（适用于所有材料）（2）厚度计算图（不同材料）：BA关系曲线代入式（4-21）整理得：（4-21）即 由 、图4-6外压应变系数A找出A与 的关系判定筒体在操作外压力下是否安全。临界压力 ，稳定性安全系数m，许用外压力p，故查令B=，GB150，ASME-1 均取m=3，代入上式得：（4-25）外压应力系数B和应变系数A一起反映了材料的应力应变关系。图4-7图4-9为几种常用钢材的外压应力系数B曲线。温度不同，曲线不同；直线部分表示材料处于弹性，属于弹性失稳，B与A成正比，由A查 B时，若与曲线不相交，则属于弹

6、性失稳，可由 ，求取B。由该试建立B与A的关系图图4-7 Q345R外压应力系数B曲线图4-8 S30408外压应力系数B曲线图4-9 S31608外压应力系数B曲线失稳失稳强度失效外压圆筒外压圆筒（）薄壁圆筒（20）20厚壁圆筒（20）三、工程设计方法 c.由材料选外压应力系数B曲线（图4-7图4-9）1、20薄壁筒体，稳定性校核：a.假设名义厚度 ，令 ，算出 和 ；b.以 、值由图4-6查取A值，若 值大于50，则用 =50查取A值；B 按式（4-26）计算许用外压p：A在材料线左方时，按式（4-27）计算许用外压p：（4-27）系数系数 A A设计温度设计温度根据温度对应的E线在图上没

7、有时，插值（4-26）图4-10 图算法求解过程d.若pcp且较接近则假设的名义厚度 合理若pcp假设 不合理，重设 ，直到满足然后查B，若有交点，则从图得B值；若无交点，则按下试计算：求取 B 值的计算步骤同 20的薄壁筒体；但对 4.0的筒体，应按式（4-28）求A值。（4-28）1、20薄壁筒体防止圆筒的失稳和强度失效，厚壁筒体的许用外压力必须取式（防止圆筒的失稳和强度失效，厚壁筒体的许用外压力必须取式（4-294-29）和式）和式（4-304-30）中的较小值。）中的较小值。为满足强度，厚壁圆筒的许用外压力应不低于式（4-30）的计算值。（4-30）式中o应力，Mpa，为满足稳定性，厚

8、壁圆筒的许用外压力应不低于式（4-29）的计算值。（4-29）解题思路小结：设 ，由 、ABcrcrP几何算图外压应力系数曲线（1）假设 ，令 ，按式（4-31）计算系数A（4-31）（2）选用相应材料的外压应力系数曲线查取B，B值即为cr。若A值落在设计温度下材料线的左方，则表明筒体属于弹性失稳，可直接由式（4-32）计算。（4-32）设筒体最大许用压应力cr=B，求系数B步骤如下：四、圆筒体轴向许用压应力的确定设计参数设计压力稳定性安全系数外压计算长度等五、有关设计参数的规定定义与内压容器相同，取值方法不同。外压容器设计压力：考虑正常工作情况下可能出现的最大内外压力差；真空容器设计压力：按

9、承受外压考虑，当装有安全控制装置时（如真空泄放阀），设计压力取1.25倍最大内外压力差或0.1MPa两者中的较小值；当无安全控制装置时，取0.1MPa。带夹套容器:考虑可能出现最大压差的危险工况，如内容器突然泄压而夹套内仍有压力时所产生的最大压差。（1）设计压力 由于长、短圆筒的临界压力计算公式，是按理想的无初始不圆度求得的。实际上，圆筒在经历成型、焊接或焊后热处理后存在各种原始缺陷，如几何形状和尺寸的偏差、材料性能不均匀性等，都会直接影响临界压力计算值的准确性；加上受载可能不完全对称，因而根据线性小挠度理论得到的临界压力与试验结果有一定误差。原因：结论:为此，在计算许用设计外压时，必须考虑一

10、定的稳定性安全系数m。（2）稳定性安全系数 特殊要求：形状偏差（取m3的同时）如GB/T 150.4 规定，受外压及真空的圆筒在同一断面一定弦长范围内，实际形状与真正圆形之间的正负偏差不得超过一定值，具体规定可参见文献2。GB/T 150.3 规定：圆筒体，m取3.0；球壳和成形封头，m取15。计算长度：筒体外部或内部两相邻刚性构件之间的最大距离，通常封头、法兰、加强圈等均可视为刚性构件。图4-11为外压计算长度取法示意图。取法：椭圆形封头、碟 形 封 头 计入 直边段封头曲面深度 的三分之一；（由于这二种封头与圆筒体对接时，在外压作用下，封头的过渡区产生环向拉应力，因此在过渡区不存在外压失稳

11、问题，所以可将该部位视作圆筒的一个顶端）。（3）外压计算长度 图4-11 外压圆筒的计算长度将长圆筒转化为短圆筒，可以有效地减小筒体厚度、提高筒体稳定性。目的加强圈设计强圈的间距截面尺寸结构设计六、加强圈的设计计算设置加强圈，必须使其属于短圆筒才有实际作用。由（4-33），加强圈数量增多，Lmax值减小，筒体厚度减薄；反之，筒体厚度须增加。结论1.加强圈的间距当圆筒的 已知，且计算外压pc值给定时，可由短圆筒许用外压力计算公式导出加强圈的最大间距，即（4-33）目的增强筒壁截面的抗弯曲能力。方法思路通过增加截面惯性矩I来提高筒壁截面的抗弯曲能力，满足Is大于并接近II保持稳定时加强圈和圆筒体组

12、 合段所需的最小惯性矩Is加强圈与当量圆筒实际 所具有的组合惯性矩图4-12 每个加强全所承受的载荷2.加强圈截面尺寸的确定保持稳定时加强圈和圆筒体组合段所需的最小惯性矩I：（4-38）Ls从加强圈中心线到相临两侧加强圈中心线距离之和的一半，与凸型封头相邻，在长度中还应计入封头曲面深度的1/3，mmA As s单个加强圈的截面积，mmmm2 2，手册查得AA系数，按下述方法求得根据已知的Pc、Do和选择的 、Ls，按下式计算当量圆筒周向失稳时的B值：（4-39）按相应材料的外压系数曲线图，由B查A。如果查图时无交点，则A带入4-38中，就得到I。A系数求法加强圈与当量圆筒实际所具有的组合惯性矩

13、 Is：I2圆筒形壳体对其形心轴 的惯性矩As加强圈的截面积Ac圆筒有效宽度内的截面积，Ac=2beI0加强圈对其形心轴 的惯性矩b圆筒有效宽度，b=0.55a1加强圈形心轴 至组合截面形心轴 的距离a2组合截面形心轴 至圆筒截面形心轴 的距离 a.假设加强圈的个数与间距Ls（LsLmax），选择加强圈尺寸（可按型钢规格），计算或由手册查得As，并计算加强圈与有效筒体实际所具有的组合惯性矩Is；b.根据已知的pc、Do和选择的 、Ls，按下式计算当量厚度筒体周向失稳时的B值，（4-39）计算步骤：c.按相应材料的外压系数曲线图，由B值查取A值（若查图时无交点，则按A=计算）e.比较Is和I，若

14、Is大于并接近I，则满足要求，否则应重新选择加强圈尺寸，重复上述计算，直至满足要求为止。d.把查得的A值代入式（4-38）中，求得所需的最小惯性矩I。注解：和前面介绍的圆筒体稳定性计算相比，求解A的过程刚好和假定筒体厚度求其许用外压力的过程相反。在加强圈设计时，通常是已知加强圈欲承受的外压力pc，而求解其所需惯性矩。设置设置位置位置容器内部：焊接总长 筒体内圆周长的1/3容器外部：焊接的总长 筒体外圆周长的1/2；工字钢其它型钢 常用常用型钢型钢扁钢角钢材料：多为碳素钢。筒体为贵重金属，在筒体外部设置碳素钢加强圈，节省贵重金属。3.加强圈的结构设计 图4-13 加强圈与圆筒的连接加强圈两侧的间断焊缝可错开或并排，但焊缝之间的最大间隙对外加强圈为8 ，对内加强圈为12 。要求加强圈应整圈围绕在筒体的圆周上，不许任意削弱或割断。设置在内部的加强圈，若开设排液孔、排气孔，削弱或割断的弧长不得大于图4-14所给定的值。图4-14 圆筒上加强圈允许的间断弧长值过程设备设计谢谢观赏