外压容器设计.pptx

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1、失稳的概念：失稳的概念：容器外压与受内压一样产生径向和环向应力，是压应力。也会发生强度破坏。容器外压与受内压一样产生径向和环向应力，是压应力。也会发生强度破坏。容器强度足够却突然失去了原有的形状，筒壁被压瘪或发生褶绉，筒壁的圆环截面容器强度足够却突然失去了原有的形状，筒壁被压瘪或发生褶绉，筒壁的圆环截面一瞬间变成了曲波形。这种在外压作用下，筒体突然失去原有形状的现象称弹性一瞬间变成了曲波形。这种在外压作用下，筒体突然失去原有形状的现象称弹性失稳。失稳。容器发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作，造成容器失效。容器发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作，造成容器失效。第1页/共46页失稳现象的实质：

2、失稳现象的实质：外压失稳前，只有单纯的压缩应力，在失稳时，产生了以弯曲应力为主的附加应外压失稳前，只有单纯的压缩应力，在失稳时，产生了以弯曲应力为主的附加应力。力。外压容器的失稳，实际上是容器筒壁内的应力状态由单纯的压应力平衡跃变为主外压容器的失稳，实际上是容器筒壁内的应力状态由单纯的压应力平衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡。要受弯曲应力的新平衡。第2页/共46页侧向失稳侧向失稳v由于均匀侧向外压引起失稳叫侧向失稳。由于均匀侧向外压引起失稳叫侧向失稳。v壳体横断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形，其波形数可以等于两个、三个、四个壳体横断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形，其波形数可以等于两个、三个、四个

3、。第3页/共46页轴向失稳轴向失稳 v薄壁圆筒承受轴向外压，当载荷达到某一数薄壁圆筒承受轴向外压，当载荷达到某一数值时，也会丧失稳定性。值时，也会丧失稳定性。v失稳，仍具有圆环截面，但破坏了母线的直失稳，仍具有圆环截面，但破坏了母线的直线性，母线产生了波形，即圆筒发生了褶绉。线性，母线产生了波形，即圆筒发生了褶绉。第4页/共46页第5页/共46页二、临界压力及其影响因二、临界压力及其影响因素素临界压力：导致筒体失稳的外压，临界压力：导致筒体失稳的外压，P Pcrcr临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁内的环向压缩应力，以临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁内的环向压缩应力，以s scrcr表示

4、。表示。外压低于外压低于P Pcrcr，变形在压力卸除后能恢复其原先形状，即发生弹性变形。，变形在压力卸除后能恢复其原先形状，即发生弹性变形。达到或高于达到或高于P Pcrcr时，产生的曲波形将是不可能恢复的。时，产生的曲波形将是不可能恢复的。第6页/共46页临界压力与哪些因素有关？临界压力与哪些因素有关？失稳是固有性质，不是由于圆筒不圆或是材料不均或其它原因所导致。失稳是固有性质，不是由于圆筒不圆或是材料不均或其它原因所导致。每一具体的外压圆筒结构，都客观上对应着一个固有的临界压力值。每一具体的外压圆筒结构，都客观上对应着一个固有的临界压力值。临界压力的大小与筒体几何尺寸、材质及结构因素有关

5、。临界压力的大小与筒体几何尺寸、材质及结构因素有关。第7页/共46页1.1.筒体几何尺寸筒体几何尺寸长圆筒：刚性封头对筒体中部变形不起有效支撑，最容易失稳压瘪，筒体的长圆筒：刚性封头对筒体中部变形不起有效支撑，最容易失稳压瘪，筒体的L/D值值较大，失稳时的临界压力与较大，失稳时的临界压力与d de e/D D有关有关,而与而与L/D 无关。无关。出现波纹数出现波纹数n=2n=2的扁圆形。的扁圆形。短圆筒：两端封头对筒体变形有约束作用，临界压力与短圆筒：两端封头对筒体变形有约束作用，临界压力与d de e/D D有关有关,而且与而且与L/D 有关。有关。失稳破坏波数失稳破坏波数n2n2。刚性圆筒

6、：若筒体较短，筒壁较厚，即刚性圆筒：若筒体较短，筒壁较厚，即L L/D D0 0较小，较小，d de e/D D0 0较大，容器的刚性好，不较大，容器的刚性好，不会因失稳而破坏。会因失稳而破坏。第8页/共46页2.筒体材料性能薄壁筒体的临界压力与材料的屈服极限无关，而与材料的弹性模量E和泊桑比m m有关。E、m m值较大的材料抵抗变形的能力较强，其临界压力也较高。3.筒体的椭圆度和材料的不均匀性筒体的椭圆度大小和材料的不均匀性影响临界压力的大小。第9页/共46页一、一、长圆筒长圆筒 式中式中 P Pcr cr-临界压力，临界压力，MPaMPa；d de e-筒体的有效厚度，筒体的有效厚度，mm

7、mm；D D-筒体的平均直径，筒体的平均直径，mmmmE E-操作温度下圆筒材料的弹性模量，操作温度下圆筒材料的弹性模量，MPaMPa m m-材料的泊桑比。材料的泊桑比。长圆筒的临界压力计算公式：长圆筒的临界压力计算公式：第二节 薄壁筒体的临界压力计算公式第10页/共46页v分析：分析：长圆筒的临界压力仅与圆筒的相对厚度长圆筒的临界压力仅与圆筒的相对厚度d de e/D D有关，而与圆筒的相对长度有关，而与圆筒的相对长度L L/D D无关。无关。对于钢制圆筒，对于钢制圆筒，m m=0.3=0.3，则，则第11页/共46页二、短圆筒二、短圆筒短圆筒的临界压力计算公式为：短圆筒的临界压力计算公式

8、为：短圆筒临界压力与相对厚度短圆筒临界压力与相对厚度d de e/D D有关，也随相对长度有关，也随相对长度L L/D D变化。变化。L L/D D越大，封头的约束作用越小，临界压力越低。越大，封头的约束作用越小，临界压力越低。第12页/共46页三、临界长度三、临界长度实际外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可根据临界长度实际外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可根据临界长度L Lcrcr来判定。来判定。当圆筒处于临界长度当圆筒处于临界长度L Lcrcr时，长圆筒公式计算临界压力时，长圆筒公式计算临界压力P Pcrcr值和短圆筒公式计算临界值和短圆筒公式计算临界压力压力P Pcrcr值应相等值应相等第13页/

9、共46页得：得：v 当筒长度当筒长度L LL Lcr cr，P Pcr cr按长圆筒按长圆筒 v 当筒长度当筒长度LLL Lcr cr时，时，P Pcr cr按短圆筒按短圆筒公式按规则圆形推的，实际圆筒总存在一定的不圆度，公式的使用范围必公式按规则圆形推的，实际圆筒总存在一定的不圆度，公式的使用范围必须要求限制筒体的圆度须要求限制筒体的圆度e e。第14页/共46页临界压力计算公式使用范围：临界压力计算公式使用范围：临界压力计算公式在认为圆筒截面是规则圆形及材料均匀的情况下得到的。临界压力计算公式在认为圆筒截面是规则圆形及材料均匀的情况下得到的。v实际筒体都存在一定的圆度，不可能是绝对圆的，实

10、际筒体临界压力将低于计算值。实际筒体都存在一定的圆度，不可能是绝对圆的，实际筒体临界压力将低于计算值。v但即使壳体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，只不过但即使壳体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，只不过是壳体的圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的数值降低，使失稳提前发生。是壳体的圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的数值降低，使失稳提前发生。第15页/共46页第三节第三节 外压圆筒的设计计算外压圆筒的设计计算 算法概述算法概述 外压圆筒计算常遇到两类问题：外压圆筒计算常遇到两类问题：一是已知圆筒的尺寸，求它的许用外压一是已知圆筒的尺寸，求它的许用

11、外压 p p；另一是已给定工作外压，确定所需厚度另一是已给定工作外压，确定所需厚度d de e。第16页/共46页许用外压许用外压 p p 圆度，长圆筒或管子一般压力达到临界压力值的圆度，长圆筒或管子一般压力达到临界压力值的 l l2 21 13 3时就可能会被压瘪。时就可能会被压瘪。大于计算压力的工况，不允许在外压力等于或接近于临界压力，必须有一定的安全裕度，大于计算压力的工况，不允许在外压力等于或接近于临界压力，必须有一定的安全裕度，使许用压力比临界压力小，即使许用压力比临界压力小，即 p-许用外压；m-稳定安全系数，m1第17页/共46页稳定安全系数稳定安全系数mm的选取的选取主要考虑两

12、个因素：主要考虑两个因素：一个是计算公式的可靠性；一个是计算公式的可靠性；另一个是制造上所能保证的圆度。另一个是制造上所能保证的圆度。v根据根据GB150-1998GB150-1998钢制压力容器钢制压力容器的规定的规定mm=3=3，圆度与，圆度与D D/d de e、L L/D D有关。有关。第18页/共46页设计外压容器设计外压容器由于由于P Pcrcr或或 p p 都与筒体的几何尺寸（都与筒体的几何尺寸（d de e、D D、L L）有关，通常采用试算法：）有关，通常采用试算法：设计外压容器，应使许用外压设计外压容器，应使许用外压 p p 小于临界压力小于临界压力P Pcr cr，即稳定

13、条件为：，即稳定条件为：第19页/共46页一、解析法求Pcr，确定P第20页/共46页二、图算法二、图算法 长、短圆筒临界压力计算式均可归纳为长、短圆筒临界压力计算式均可归纳为K K为特征系数，为特征系数，外压圆筒在临界压力下的周向应力为外压圆筒在临界压力下的周向应力为第21页/共46页周向应变以A代替第22页/共46页第23页/共46页设计步骤设计步骤利用算图确定外压圆筒厚度。步骤如下：利用算图确定外压圆筒厚度。步骤如下：1 1 D D0 0/d de e2020的外压圆筒及外压管的外压圆筒及外压管 a.a.假设假设d dn n,计算计算d de ed dn n-C C,定出定出L L/D

14、D0 0、D D0 0/d de e值值 b.b.在外压或轴压受压圆筒和管子几何参数计算图中得到系数在外压或轴压受压圆筒和管子几何参数计算图中得到系数A A；第24页/共46页 c.c.根据所用材料，从根据所用材料，从A-BA-B关系图中选用，读出关系图中选用，读出B B值，并按式计算许用外压力值，并按式计算许用外压力 p p：d.比较许用外压p与设计外压p若pp，假设的厚度d dn可用，若小得过多，可将d dn适当减小，重复上述计算若pp，需增大初设的d dn，重复上述计算，直至使pp且接近p为止。第25页/共46页2.2.D D0 0/d de e2020的外压圆筒及外压管的外压圆筒及外压

15、管子子a a用与用与D D0 0/d de e2020相同的方法得到系数相同的方法得到系数B B，但对，但对D D0 0/d de e4 4圆筒及管子计算系数圆筒及管子计算系数A A值：值：系数系数A A0.10.1时，取时，取A=0.1A=0.1；第26页/共46页b b计算计算 p p l l和和 p p 2 2。取。取 p p l l和和 p p 2 2中的较小值为许用外压中的较小值为许用外压 p p s s0 0取以下两式中的较小值取以下两式中的较小值第27页/共46页c c比较许用外压比较许用外压 p p 与设计外压与设计外压p pv若若p pp p，假设的厚度，假设的厚度d dn

16、n可用，若小得过多，可将可用，若小得过多，可将d dn n适当减小，重复上述计算适当减小，重复上述计算v若若p p p p，需增大初设的，需增大初设的d dn n，重复上述计算，直至使，重复上述计算，直至使 p p p p且接近且接近p p为止。为止。第28页/共46页三、设计参数三、设计参数1.1.设计压力设计压力P226 P226 表表15151 1第29页/共46页设计外压：设计外压：不小于正常工作过程中可能出现的最大内外压力差。不小于正常工作过程中可能出现的最大内外压力差。真空容器：真空容器：有安全控制装置（真空泄放阀），取有安全控制装置（真空泄放阀），取1.251.25倍最大内外压差

17、或倍最大内外压差或0.1MPa0.1MPa中较小值；中较小值；无安全控制装置，取无安全控制装置，取0.1MPa0.1MPa带夹套容器：真空设计压力再加上夹套设计压力。带夹套容器：真空设计压力再加上夹套设计压力。第30页/共46页设计外压：设计外压：不小于正常工作过程中可能出现的最大内外压力差。不小于正常工作过程中可能出现的最大内外压力差。真空容器：真空容器：有安全控制装置（真空泄放阀），取有安全控制装置（真空泄放阀），取1.251.25倍最大内外压差或倍最大内外压差或0.1MPa0.1MPa中较小值；中较小值；无安全控制装置，取无安全控制装置，取0.1MPa0.1MPa带夹套容器：真空设计压力

18、再加上夹套设计压力。带夹套容器：真空设计压力再加上夹套设计压力。第31页/共46页2.2.计算长度，指两相邻加强圈的间距；计算长度，指两相邻加强圈的间距；对与封头相连接的那段筒体而言，应计入凸形封头中的对与封头相连接的那段筒体而言，应计入凸形封头中的1/31/3的凸面高度。的凸面高度。第32页/共46页3.3.试验压力试验压力外压容器和真空容器按内压容器进行液压试验，试验压力取外压容器和真空容器按内压容器进行液压试验，试验压力取1.251.25倍的设计倍的设计外压，即外压，即 式中式中p p-设计外压力，设计外压力，MPaMPa；p pT T-试验压力，试验压力，MPaMPa。气压试验第33页

19、/共46页例：分馏塔内径例：分馏塔内径2000mm2000mm，塔身，塔身(不包括椭圆形封头不包括椭圆形封头)长度为长度为6000mm6000mm，封头深度，封头深度500mm500mm。370370及真空条件及真空条件下操作。现库存有下操作。现库存有9 9、1212、14mm14mm厚厚20g20g钢板。能否用钢板。能否用这三种钢板制造。这三种钢板制造。塔的计算长度塔的计算长度钢板负偏差均为钢板负偏差均为0.8mm0.8mm钢板的腐蚀裕量取钢板的腐蚀裕量取1mm1mm。有效厚度为有效厚度为7.27.2、10.210.2和和12.2mm12.2mm。简化计算，有效厚度简化计算，有效厚度7 7、

20、1010和和12mm12mm第34页/共46页当当d de e=7mm=7mm时时查图得查图得A=0.000085A=0.000085。20g20g钢板的钢板的s ss s=250MPa=250MPa（查附录（查附录6 6），），查图，查图，A A值点落在材料温度线得左方，故值点落在材料温度线得左方，故20g20g钢板钢板370370时的时的E E=1.6910=1.69105 5MPaMPa p p 0.1MPa0.1MPa，所以，所以9mm9mm钢板不能用。钢板不能用。第35页/共46页当当d de e=10mm=10mm时时查图得查图得A=0.000013A=0.000013。查图，。查

21、图，A A值所在点仍在材料温度值所在点仍在材料温度线得左方，故线得左方，故 p p 0.1MPa0.1MPa，所以，所以12mm12mm钢板也不能用钢板也不能用。第36页/共46页当当d de e=12mm=12mm时时 查图得查图得A=0.000018A=0.000018。查图，。查图，A A值所在点仍在材料温度线值所在点仍在材料温度线得左方，故得左方，故 p p 0.1MPa0.1MPa，所以，须采用，所以，须采用14mm14mm厚的厚的20g20g钢板制钢板制造。造。第37页/共46页第四节第四节 加强圈加强圈增加壁厚或减少计算长度能提高筒体的临界压力。增大壁厚不经济，适宜的方法是减增加

22、壁厚或减少计算长度能提高筒体的临界压力。增大壁厚不经济，适宜的方法是减少圆筒的计算长度。减少计算长度可减小壁厚，可降低金属材料的消耗。为了减少少圆筒的计算长度。减少计算长度可减小壁厚，可降低金属材料的消耗。为了减少筒体的计算长度，在筒体的外部或内部装上若干个钢环即加强圈。筒体的计算长度，在筒体的外部或内部装上若干个钢环即加强圈。装上一定数量的加强圈，利用圈对筒壁的支撑作用，可以提高圆筒的临界压力，从装上一定数量的加强圈，利用圈对筒壁的支撑作用，可以提高圆筒的临界压力，从而提高其工作外压而提高其工作外压。第38页/共46页扁钢、角钢、工字钢等都可以制作加强圈。扁钢、角钢、工字钢等都可以制作加强圈

23、。第39页/共46页加强圈最大间距：加强圈最大间距：外压圆筒加强圈间距已选定，可按上述图算法确定出筒体厚度；外压圆筒加强圈间距已选定，可按上述图算法确定出筒体厚度；如果筒体的如果筒体的D D0 0/d de e已确定，可从下式解出加强圈最大间距：已确定，可从下式解出加强圈最大间距：加强圈的实际间距如小于或等于算出的间距，加强圈的实际间距如小于或等于算出的间距，表明该圆筒能安全承受设计压力。表明该圆筒能安全承受设计压力。第40页/共46页加强圈安装制造加强圈安装制造v加强圈可设置在容器的内部或外部。加强圈可设置在容器的内部或外部。第41页/共46页v加强圈可设置在容器内部或外部。加强圈可设置在容

24、器内部或外部。连续或间断焊接，当加强圈在外面时，每侧间断焊接的总长度不应小于圆筒外圆连续或间断焊接，当加强圈在外面时，每侧间断焊接的总长度不应小于圆筒外圆周长的周长的1/21/2；在里面，焊缝总长度不应小于内圆周长度在里面，焊缝总长度不应小于内圆周长度1/31/3。间断焊最大间距，外加强圈不能大于筒体名义厚度间断焊最大间距，外加强圈不能大于筒体名义厚度8 8倍；内加强圈不能大于筒体倍；内加强圈不能大于筒体名义厚度名义厚度1212倍倍第42页/共46页第五节 外压 封头设计一、外压凸形封头1.半球形封头对于钢材第43页/共46页2.椭圆形封头式中：K1由椭圆形封头长、短轴比值决定的系数第44页/共46页思考题思考题 ：1.1.外压圆筒的失稳形式有哪些？外压圆筒的失稳形式有哪些？2.2.影响外压圆筒临界压力的因素有哪些？影响外压圆筒临界压力的因素有哪些？3.3.外压圆筒上设置加强圈的目的是什么？外压圆筒上设置加强圈的目的是什么？第45页/共46页感谢您的观看。第46页/共46页