化工设备设计基础9.ppt

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1、CHAP.9 CHAP.9 外压容器设计外压容器设计9.1 9.1 外压容器概述外压容器概述 什么是外压容器什么是外压容器 外压容器的破坏形式外压容器的破坏形式 外压容器的临界压力外压容器的临界压力9.2 9.2 外压圆筒环向稳定计算外压圆筒环向稳定计算 临界压力的影响因素临界压力的影响因素 临界压力与临界长度临界压力与临界长度 临界应力与临界应变临界应力与临界应变 圆筒稳定性计算图表圆筒稳定性计算图表 外压圆筒的稳定计算外压圆筒的稳定计算9.3 9.3 外压封头的稳定计算外压封头的稳定计算 外压球壳的稳定计算外压球壳的稳定计算 外压封头稳定计算外压封头稳定计算 外压容器加强圈的概念外压容器加

2、强圈的概念第一页，编辑于星期六：十八点 四十七分。9.1 9.1 外压容器概述外压容器概述 一、什么是外压容器一、什么是外压容器外压容器：外压容器：外压大于内压的容器外压大于内压的容器.PiP0第二页，编辑于星期六：十八点 四十七分。9.1 9.1 外压容器概述外压容器概述第三页，编辑于星期六：十八点 四十七分。二、外压容器的破坏形式二、外压容器的破坏形式拉杆不失稳压杆可能失稳第四页，编辑于星期六：十八点 四十七分。（2）外压圆筒的稳定性外压圆筒的稳定性 承受外压的圆筒，其筒壁应力值与受内压时相同，其承受外压的圆筒，其筒壁应力值与受内压时相同，其周向力应力值为轴向应力的两倍，圆筒壁中产生的是压

3、缩应周向力应力值为轴向应力的两倍，圆筒壁中产生的是压缩应力，而绝对值大小一样。这种压应力如果达到材料的屈服极力，而绝对值大小一样。这种压应力如果达到材料的屈服极限或强度极限时，将和承受内压圆筒一样导致强度破坏。然限或强度极限时，将和承受内压圆筒一样导致强度破坏。然而这种现象极为少见。而这种现象极为少见。通常外压圆筒壁内的压缩应力还远小于材料的屈服限时，通常外压圆筒壁内的压缩应力还远小于材料的屈服限时，筒体突然失去原来的形状被压瘪或发生褶绉而失效（如图），筒体突然失去原来的形状被压瘪或发生褶绉而失效（如图），在圆筒横断面上呈现有规则的永久性波形，其波形数用在圆筒横断面上呈现有规则的永久性波形，其

4、波形数用n表示。表示。n可为可为2、3、4。在外压作用下，筒体、球壳或封头。在外压作用下，筒体、球壳或封头突然发生失去原来形状的现象称之为失稳。外压容器稳定性突然发生失去原来形状的现象称之为失稳。外压容器稳定性是设计中主要考虑的问题。是设计中主要考虑的问题。第五页，编辑于星期六：十八点 四十七分。外压圆筒失稳以前，筒壁中只是单纯的压应力状态。在失外压圆筒失稳以前，筒壁中只是单纯的压应力状态。在失稳时，伴随着突然变形，在筒内产生了以弯曲应力为主的复杂稳时，伴随着突然变形，在筒内产生了以弯曲应力为主的复杂的附加应力，这种变形与附加应力一直迅速发展到圆筒被压瘪。的附加应力，这种变形与附加应力一直迅速

5、发展到圆筒被压瘪。由此可见，外压容器的失稳，实质上是容器从一种平衡状态由此可见，外压容器的失稳，实质上是容器从一种平衡状态（形状及应力状态）向另一种新的平衡状态的突变。（形状及应力状态）向另一种新的平衡状态的突变。长圆筒长圆筒短圆筒短圆筒第六页，编辑于星期六：十八点 四十七分。临界压力临界压力 受外压作用的容器，受外压作用的容器，当外压力低于某一特定当外压力低于某一特定的值时，壳体亦能发生变形，但当压力卸除后壳体可恢的值时，壳体亦能发生变形，但当压力卸除后壳体可恢复原来的形状，这时壳体变形属于弹性变形范围。复原来的形状，这时壳体变形属于弹性变形范围。当外压力继续增加到某一特定值，产生了不能恢复

6、的永久当外压力继续增加到某一特定值，产生了不能恢复的永久变形，即失去了原来的稳定性。容器失稳时的压力称临界变形，即失去了原来的稳定性。容器失稳时的压力称临界压力，以压力，以Pcr表示。表示。容器在容器在Pcr作用下容器壁内应力称临界应力。作用下容器壁内应力称临界应力。三、外压容器的临界压力与稳定性系数三、外压容器的临界压力与稳定性系数第七页，编辑于星期六：十八点 四十七分。稳定安全系数稳定安全系数 长、短圆筒的临界压力公式，长、短圆筒的临界压力公式，是按理想状态（无初始不圆度）求得的。但实是按理想状态（无初始不圆度）求得的。但实际上的圆筒有际上的圆筒有几何尺寸及形状误差几何尺寸及形状误差，还有

7、，还有焊接焊接结构形式结构形式等影响，这都会直接影响计算临界压力等影响，这都会直接影响计算临界压力的准确性，此外，生产过程中的准确性，此外，生产过程中操作压力的波动操作压力的波动，使筒体实际外压力增高，并可能超过计算的临界压使筒体实际外压力增高，并可能超过计算的临界压力值。为保证安全，必须使许用外压力低于临界外力值。为保证安全，必须使许用外压力低于临界外压力，即压力，即 P=Pcr/m 稳定安全系数稳定安全系数 m=3（圆筒体）（圆筒体）m=14.52（球壳体）（球壳体）第八页，编辑于星期六：十八点 四十七分。9.2 9.2 外压圆筒环向稳定计算外压圆筒环向稳定计算一、一、临界压力的影响因素临

8、界压力的影响因素1、临界压力及影响因素临界压力及影响因素 临界压力值受若干因素影响，如受容器筒体几何尺寸及几何临界压力值受若干因素影响，如受容器筒体几何尺寸及几何形状的影响，除此之外，载荷的均匀和对称性、筒体材料形状的影响，除此之外，载荷的均匀和对称性、筒体材料及边界条件等也有一定影响。及边界条件等也有一定影响。a.影响因素影响因素/D 两个圆筒形外压容器，当其他条件（材两个圆筒形外压容器，当其他条件（材料、直径料、直径D、长度、长度L）一定，而厚度不同时，当）一定，而厚度不同时，当L/D相同，相同，/D大者临界压力高，其原因是筒壁较厚抗弯曲的能力强；大者临界压力高，其原因是筒壁较厚抗弯曲的能

9、力强；b.影响因素影响因素L/D 当当/D相同，而长度相同，而长度L不同，不同，L/D小者小者临界压力高，其原因是筒身较短圆筒的封头对筒壁起着临界压力高，其原因是筒身较短圆筒的封头对筒壁起着一定支撑作用。一定支撑作用。第九页，编辑于星期六：十八点 四十七分。筒体的几何形状（如不圆度）误差会降低筒壁临筒体的几何形状（如不圆度）误差会降低筒壁临界压力，加速筒体的失稳。不圆度定义为界压力，加速筒体的失稳。不圆度定义为e=Dmax-Dmin，式中，式中Dmax、Dmin分别为筒体直径的分别为筒体直径的最大值和最小值。不圆度存在对筒壁产生附加弯最大值和最小值。不圆度存在对筒壁产生附加弯曲应力曲应力,使筒

10、壁屈服的压力比临界压力低使筒壁屈服的压力比临界压力低.不圆度不圆度越大越大,屈服压力越小屈服压力越小.筒体材料的弹性模数筒体材料的弹性模数E值大，抵抗变形能力强，值大，抵抗变形能力强，临界压力就高。由于各种钢材临界压力就高。由于各种钢材E值相差较小，值相差较小，若选用高强度钢代替一般碳素钢制造外压容器，若选用高强度钢代替一般碳素钢制造外压容器，并不能明显地提高筒体的临界压力，却使容器并不能明显地提高筒体的临界压力，却使容器成本提高，因而是不恰当的。要提高容器的临成本提高，因而是不恰当的。要提高容器的临界压力，即增加稳定性，只有从几何尺寸上来界压力，即增加稳定性，只有从几何尺寸上来考虑。考虑。第

11、十页，编辑于星期六：十八点 四十七分。2、长圆筒、短圆筒及刚性圆筒、长圆筒、短圆筒及刚性圆筒 承受外压的圆筒形壳体，按不同的几何尺寸失稳时的不同形承受外压的圆筒形壳体，按不同的几何尺寸失稳时的不同形式（波形数不同），将圆筒分为长圆筒、短圆筒及刚性圆筒式（波形数不同），将圆筒分为长圆筒、短圆筒及刚性圆筒等三种。等三种。长圆筒长圆筒是指筒体的是指筒体的L/DL/D值较大，筒体两端边界的支撑作用值较大，筒体两端边界的支撑作用可以忽略，筒体失稳时可以忽略，筒体失稳时PcrPcr仅与仅与/D/D有关，而与有关，而与L/DL/D无关。无关。长圆筒失稳时波形数长圆筒失稳时波形数n n为为2 2。短圆筒短圆筒

12、是指筒体两端边界的支撑作用不可忽略，筒体失稳时是指筒体两端边界的支撑作用不可忽略，筒体失稳时PcrPcr与与L/DL/D及及/D/D均有关。短圆筒失稳时波形数均有关。短圆筒失稳时波形数n n2 2的整数。的整数。刚性圆筒刚性圆筒是指是指L/DL/D较小，而较小，而/D/D较大，筒体的刚性较好，破较大，筒体的刚性较好，破坏的原因是圆筒壁内的压缩应力超过了材料的屈服限，并坏的原因是圆筒壁内的压缩应力超过了材料的屈服限，并非是发生了失稳。对刚性圆筒主要考虑强度要求。非是发生了失稳。对刚性圆筒主要考虑强度要求。第十一页，编辑于星期六：十八点 四十七分。圆筒的圆筒的“长长”和和“短短”是相对于直径来说的

13、。长、短圆是相对于直径来说的。长、短圆筒以及刚性圆筒的临界压力是各不相同的，有其各自的筒以及刚性圆筒的临界压力是各不相同的，有其各自的计算方法计算方法二、临界压力与临界长度二、临界压力与临界长度1 1、圆筒临界压力的计算、圆筒临界压力的计算长圆筒临界压力的计算长圆筒临界压力的计算 短圆筒临界压力的计算短圆筒临界压力的计算 第十二页，编辑于星期六：十八点 四十七分。长圆筒临界压力仅与筒体长圆筒临界压力仅与筒体e/D及及E有关。有关。刚性圆筒由临界压力引起的临界应力为刚性圆筒由临界压力引起的临界应力为l外压短而厚的刚性圆筒，其破坏是由于圆筒壁的压外压短而厚的刚性圆筒，其破坏是由于圆筒壁的压缩应力超

14、过材料设计温度下的屈服极限，对此应考虑缩应力超过材料设计温度下的屈服极限，对此应考虑强度问题和非弹性失稳问题。强度问题和非弹性失稳问题。第十三页，编辑于星期六：十八点 四十七分。长、短及刚性圆筒都是承受横向均匀外压力的长、短及刚性圆筒都是承受横向均匀外压力的情况。因容器均有封头，所以除受横向外压力外，情况。因容器均有封头，所以除受横向外压力外，同时还受有轴向压力，但轴向压缩对筒体失稳影同时还受有轴向压力，但轴向压缩对筒体失稳影响很小，工程上仅按承受横向均匀外压计算临界响很小，工程上仅按承受横向均匀外压计算临界压力（室外高塔设计除外）。压力（室外高塔设计除外）。第十四页，编辑于星期六：十八点 四

15、十七分。2、圆筒的临界长度圆筒的临界长度 长短圆筒的区别：是否受端盖、加强圈等支撑的影响。当长短圆筒的区别：是否受端盖、加强圈等支撑的影响。当e/D相同时，短圆筒的临界压力较称长圆筒大，随着短相同时，短圆筒的临界压力较称长圆筒大，随着短圆筒长度的增加，端盖对筒体支撑作用减弱，当短圆筒的圆筒长度的增加，端盖对筒体支撑作用减弱，当短圆筒的长度增大到某一值时，端盖对筒体的支撑作用完全消失，长度增大到某一值时，端盖对筒体的支撑作用完全消失，这时短圆筒的临界压力与长圆筒临界压力相等，该短圆筒这时短圆筒的临界压力与长圆筒临界压力相等，该短圆筒的长度称为临界长度，用的长度称为临界长度，用Lcr表示。表示。第

16、十五页，编辑于星期六：十八点 四十七分。临界长度是长、短圆筒临界长度是长、短圆筒 的分界线，也是计的分界线，也是计算临界压力选择公式的的依据。当实际圆算临界压力选择公式的的依据。当实际圆筒计算长度筒计算长度LLcr属长圆筒，若属长圆筒，若LLcr则则属短圆筒。属短圆筒。外压圆筒的计算与外压圆筒的计算与e/D0（D0为圆筒外直为圆筒外直径）有关。径）有关。e/D00.04时，此条件下任何时，此条件下任何e/D0值均按刚性圆筒计算。值均按刚性圆筒计算。第十六页，编辑于星期六：十八点 四十七分。3 3、计算长度、计算长度圆筒的圆筒的计算长度计算长度指筒体外部或内部两刚性构件之间的最大距指筒体外部或内

17、部两刚性构件之间的最大距离，筒体外部焊接的角钢加强圈，筒体内部挡板或塔盘均离，筒体外部焊接的角钢加强圈，筒体内部挡板或塔盘均可视为刚性构件；在两个刚性构件中，其中一个是凸型封可视为刚性构件；在两个刚性构件中，其中一个是凸型封头时，头时，取计算长度取计算长度L=L+h0+hi/3（hi为凸型封头凸面高度为凸型封头凸面高度 h0凸型封头直边高度）凸型封头直边高度）凸型封头刚性大对圆筒体有一定支撑作用，可以提高临界压力。凸型封头刚性大对圆筒体有一定支撑作用，可以提高临界压力。在较薄板制造的筒体上焊接一定数量的在较薄板制造的筒体上焊接一定数量的加强圈加强圈，可使计算长，可使计算长度度L降低，提高临界压

18、力。降低，提高临界压力。第十七页，编辑于星期六：十八点 四十七分。三、临界应力与临界应变三、临界应力与临界应变长圆长圆筒临界压筒临界压力力 短圆短圆筒临界压筒临界压力力 圆筒在圆筒在Pcr 作用下，产生的环作用下，产生的环向临界应向临界应力力临界应变临界应变第十八页，编辑于星期六：十八点 四十七分。长、短圆筒长、短圆筒Pcr分别代入临界应变分别代入临界应变cr计算式得计算式得 长圆筒长圆筒 短圆筒短圆筒 外压圆筒失稳时，环向应变外压圆筒失稳时，环向应变cr与筒体几何参数与筒体几何参数e、D0及及 L有关，而与材料弹性模数无关。有关，而与材料弹性模数无关。四、圆筒稳定性计算图表四、圆筒稳定性计算

19、图表图解法来源图解法来源第十九页，编辑于星期六：十八点 四十七分。若圆筒的若圆筒的D0/e值已确定，值已确定，只是只是L/D0的函数。的函数。利用上式绘出曲线，横坐标利用上式绘出曲线，横坐标A即即。图中上部垂直线。图中上部垂直线与斜线交点所对应的与斜线交点所对应的L/D0即为圆筒的即为圆筒的Lcr/D0，交，交点以上直线表示长圆筒情况，失稳时点以上直线表示长圆筒情况，失稳时与与L/D0无关，无关，而在交点以下斜线簇表示短圆筒情况，失稳时的而在交点以下斜线簇表示短圆筒情况，失稳时的与与D0/e 及及L/D0 均有关。均有关。第二十页，编辑于星期六：十八点 四十七分。L/D0 D0/e A()对于

20、任何材料的外压圆筒，已知对于任何材料的外压圆筒，已知L/D0 和和D0/e 值值,可用图中可用图中找出失稳时的环向应变找出失稳时的环向应变（即（即A）。还要找出）。还要找出与许用外压与许用外压P的关系，才能判定容器在操作外压力下是否安全。的关系，才能判定容器在操作外压力下是否安全。第二十一页，编辑于星期六：十八点 四十七分。将将Pcr=mP代入应变式整理得代入应变式整理得 由上式由上式 已知已知m=3，设，设 因因cr=A，由上式可见，系数，由上式可见，系数B与与A的关系即的关系即 这可以这可以A为横坐标，以为横坐标，以B为纵坐标，并配以材料在各为纵坐标，并配以材料在各温度下的应力与应变拉伸曲

21、线，可以绘出图。若由温度下的应力与应变拉伸曲线，可以绘出图。若由A求求得得B后，可由上式推得的下面公式求许用外压力，即后，可由上式推得的下面公式求许用外压力，即 第二十二页，编辑于星期六：十八点 四十七分。计算图计算图B值是值是A的函数，即的函数，即B=f（A），直线部分），直线部分表示应力与应变成正比，顶部弯曲部分表示材料表示应力与应变成正比，顶部弯曲部分表示材料发生塑性变形以后的应力应变关系。发生塑性变形以后的应力应变关系。第二十三页，编辑于星期六：十八点 四十七分。外压圆筒计算图外压圆筒计算图(BA图图)第二十四页，编辑于星期六：十八点 四十七分。对于对于D0/e及及L/D0已确定的圆筒

22、，如果从图查已确定的圆筒，如果从图查得的得的A值位于图的直线部分，说明圆筒失稳时应力值位于图的直线部分，说明圆筒失稳时应力值没有超过材料比例极限，即该圆筒属于弹性失稳，值没有超过材料比例极限，即该圆筒属于弹性失稳，可视可视E值为常数，直接用值为常数，直接用B=2/3EA求求B值。当值。当A值处值处于于B=f（A）曲线的弯曲部分时，由）曲线的弯曲部分时，由A求求B 后求后求P。可见外压容器图算法是计算与图算相结合的设计方可见外压容器图算法是计算与图算相结合的设计方法。法。由于对弹性失稳可以直接用公式由于对弹性失稳可以直接用公式B值和值和P，故图，故图B=f（A）曲线就可以把大部分直线段省略。）曲

23、线就可以把大部分直线段省略。GB150中图省略了大部分直线的几种常用钢材的中图省略了大部分直线的几种常用钢材的B-A曲线曲线第二十五页，编辑于星期六：十八点 四十七分。圆筒的许用外压力：圆筒的许用外压力：令令则则而而此即为此即为BA图的由来图的由来第二十六页，编辑于星期六：十八点 四十七分。五、外压圆筒的稳定计算五、外压圆筒的稳定计算1.假设假设 确定比值：确定比值：L/Do和和Do/e2.根据根据L/Do和和Do/e 查图查图9-7，确定，确定A值值3.根据不同材料查图根据不同材料查图9-99-14确定确定B值值A在在B-A线的右方线的右方,从曲线中查从曲线中查B 5.比较比较P与与P ,以

24、以P小于且接近于小于且接近于P A在在B-A线的左方，属弹性失稳线的左方，属弹性失稳 4.求许用外压求许用外压PP第二十七页，编辑于星期六：十八点 四十七分。9.3 9.3 外压封头的稳定计算外压封头的稳定计算一、外压球壳的稳定计算一、外压球壳的稳定计算临界应变临界应变临界压力临界压力临界应力临界应力1 1、外压球壳的临界压力、临界应力、临界应变、许用外压、外压球壳的临界压力、临界应力、临界应变、许用外压 第二十八页，编辑于星期六：十八点 四十七分。许用外压力许用外压力若令若令则则第二十九页，编辑于星期六：十八点 四十七分。临界应变临界应变采用圆筒的采用圆筒的B-A图图第三十页，编辑于星期六：

25、十八点 四十七分。2 2、外压球壳的稳定计算、外压球壳的稳定计算1.假设假设 计算计算2.确定确定A值值3.根据不同材料查图根据不同材料查图9-99-13确定确定B值值A在在B-A线的右方线的右方,从曲线中查从曲线中查B 5.比较比较P与与P ,以以P小于且接近于小于且接近于P A在在B-A线的左方，线的左方，4.求许用外压求许用外压P P 第三十一页，编辑于星期六：十八点 四十七分。3 3、外压封头的稳定计算、外压封头的稳定计算外压凸形封头外压凸形封头计算同球壳计算同球壳 不同的是球面半径不同的是球面半径R R 标准椭圆形封头标准椭圆形封头R=0.9DiR=0.9Di外压锥形封头外压锥形封头

26、承受外压的锥形封头，当半顶角承受外压的锥形封头，当半顶角 600时，用时，用“当量圆筒当量圆筒”进行计算。进行计算。“当量长度当量长度”“当量厚度当量厚度”其它同外压圆筒计算其它同外压圆筒计算第三十二页，编辑于星期六：十八点 四十七分。三、外压容器加强圈三、外压容器加强圈外压圆筒可以通过设置加强圈的方法减少计算长度来外压圆筒可以通过设置加强圈的方法减少计算长度来提高承压能力。提高承压能力。工程中常用于：夹套容器工程中常用于：夹套容器 真空容器真空容器装有加强圈的筒体，受外压作用时，作用在加强圈两侧装有加强圈的筒体，受外压作用时，作用在加强圈两侧各各L/2L/2范围筒体上的外压力是由筒体有效段和

27、加强圈的范围筒体上的外压力是由筒体有效段和加强圈的组合截面共同承担。组合截面共同承担。第三十三页，编辑于星期六：十八点 四十七分。组合截面失稳时的临界载荷组合截面失稳时的临界载荷Pcr:Pcr:为使在设计外压作用下组合截面不失稳，该组合截面的截为使在设计外压作用下组合截面不失稳，该组合截面的截面惯性矩须大于等于满足稳定性条件所需的截面惯性矩面惯性矩须大于等于满足稳定性条件所需的截面惯性矩第三十四页，编辑于星期六：十八点 四十七分。加强圈与圆筒有效段组合截面的惯性矩加强圈与圆筒有效段组合截面的惯性矩;加强圈与圆筒有效段组和截面所需惯性矩加强圈与圆筒有效段组和截面所需惯性矩 加强圈设计需要保证两条

28、加强圈设计需要保证两条:保证加强圈与壳体一起受力保证加强圈与壳体一起受力,因此其与圆筒最好采取连因此其与圆筒最好采取连续焊续焊,若考虑焊接收缩采用间断焊接时若考虑焊接收缩采用间断焊接时,应保证焊缝总应保证焊缝总长不少于圆筒周长的长不少于圆筒周长的1/2(加强圈设置在圆筒外部加强圈设置在圆筒外部)或或1/3(加强圈设置在圆筒内部加强圈设置在圆筒内部).当满足上述条件时当满足上述条件时,可以缩短可以缩短计算长度计算长度;组合截面的惯性矩应以它本身的中性轴计算组合截面的惯性矩应以它本身的中性轴计算第三十五页，编辑于星期六：十八点 四十七分。9.4轴向受压圆筒的稳定性第三十六页，编辑于星期六：十八点

29、四十七分。承受轴向压力的薄壁圆筒，当轴向压缩应力达承受轴向压力的薄壁圆筒，当轴向压缩应力达某一定值时，圆筒母线的直线性受到破坏而产生某一定值时，圆筒母线的直线性受到破坏而产生了波形，即为轴向失稳。有些直立高塔设备除了了波形，即为轴向失稳。有些直立高塔设备除了承受介质外压，不定期要承受设备自重及风载荷承受介质外压，不定期要承受设备自重及风载荷等作用，使筒体壁产生局部较大轴向压缩应力，等作用，使筒体壁产生局部较大轴向压缩应力，因此筒体局部失稳（褶皱）。为保证安全，需要因此筒体局部失稳（褶皱）。为保证安全，需要求得保证轴向稳定的许用应力求得保证轴向稳定的许用应力cr值。值。第三十七页，编辑于星期六：十八点 四十七分。第三十八页，编辑于星期六：十八点 四十七分。第三十九页，编辑于星期六：十八点 四十七分。第四十页，编辑于星期六：十八点 四十七分。