外压容器稳定性分析与设计

1,外压容器稳定性分析与设计,2007年7月,武汉工程大学化工设备设计研究所,2,本次课程主要内容,1、外压容器概念 2、失效形式 3、外压圆筒的设计 4、图算法原理,3,外压容器概念,1、外压容器,器壁的外部压力大于内部压力,如真空贮槽、减压精馏塔、有蒸汽夹套的反应釜,2、外压容器的失效形式,一种是因强度不足而导致破坏 发生失稳现象,3、外压容器的失稳,当容器所受的外压达到某极限值时，横断面会突然失去原形，被压扁或出现波纹。,4,1、外压容器,外压容器的设计,强度计算和稳定性校核两方面 外压容器强度计算的公式与内压容器相同，只是应力的符号相反，即压力在器壁中产生压应力,临界压力,外压容器发生失稳时的最低外压力，称为临界压力。 其值越大，表明容器抗失稳能力越强。,5,外压圆筒的失稳形态,稳定性问题不仅仅限于外压容器，内压容器有时也存在稳定性问题。例如受重量载荷和风弯矩作用产生轴向压应力的直立内压设备、有局部压应力产生的内压封头、以及内压卧式容器的鞍座处等，均有稳定性问题存在。,6,外压圆筒的分类,当圆筒的长度与直径之比较大时，其中间部分将不受两端封头或加强圈的支持作用，弹性失稳时形成n2的波数。 长圆筒的临界压力与 无关，仅与圆筒壁厚与直径的比值 有关,长圆筒,短圆筒,失稳时的波数n大于2 与 均有关,7,外压圆筒的分类,值较小， 值较大， 其破坏不是因丧失稳定而引起，是因为强度不足而产生破坏。 由于圆筒壁内的压应力超过材料屈服极限而丧失稳定 与长度无关,刚性圆筒,薄壁外压圆筒,失稳时器壁应力低于材料屈服极限 称为弹性失稳,失稳时器壁应力高于材料屈服极限 称为塑性失稳,8,圆筒的厚度计算,临界长度,长圆筒,短圆筒,9,圆筒的理论厚度计算,先假定,长圆筒 短圆筒,圆筒厚度满足要求,重新假设圆筒厚度,10,图算法原理,K为表征长、短圆筒的特征系数，与 、 有关 长圆筒K=2.2 短圆筒按图表查出.,用理论公式计算临界压力比较复杂.为了避免在求解析解 先判断长、短圆筒并加以验证，在计算时只能用近似公式 进行计算。工程上为了计算简便,采用图算法.,临界压力用以引起圆筒器壁周向压缩应力,除以E,外压圆筒的几何参数计算图,11,对任何材料 都适用,外压圆筒的 几何参数计 算图,长圆筒与L/D无关,短圆筒,12,图算法原理,变换,13,图算法原理,利用材料单向拉伸应力-应变的关系,外压圆筒、管子和球壳厚度计算图（,的碳素钢和0Cr13、1Cr13钢）,A值落在材料温度线左方,A值落在材料温度线右方,14,图算法的计算步骤,15,有关设计参数的规定,1、设计压力P,2、试验压力PT,均布径向外压圆筒稳定性安全系数取3.0,3、稳定性安全系数 m,真空容器按承受外压考虑，当装有安全控制装置（如真空泄放阀）时，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。,液压试验,气压试验,16,4、计算长度L,外压圆筒的计算长度系指圆筒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.,直边段以及封头曲面深度的1/3,取承受外压的圆筒长度,取相邻加强圈中心线间的最大距离,17,加强圈的设计计算,可以通过增加圆筒的壁厚或减小圆筒的计算长度来提高圆筒的许用外压力P,1、设置加强圈的作用与意义,减小计算长度比增加筒壁厚度更为合理,可以节省材料，减少了设备重量，降低了造价； 当现有设备因操作条件需要改变而不能满足要求时，增加壁厚就不仅困难，甚至根本无法实现； 加强圈还可以减小大直径薄壁圆筒形状缺陷的影响，提高圆筒的刚度。,18,加强圈的结构要求,加强圈通常用扁钢、角钢、工字钢或其他型钢制成，因一方面型钢截面惯性矩较大，另一方面成型也较方便。加强圈材料多数为碳钢，它可以设置在容器的内部或外部，并应全部围绕容器的圆周。加强圈自身在环向的连接要用对接焊。通常以间断焊缝与筒体连接。为了保证加强圈与圆筒一起承受外压的作用。当加强圈焊在圆筒外面时，加强圈每侧间断焊接的总长，应不小于容器外圆周长度的1/2 ；当加强圈焊在圆筒内面时，加强圈每侧间断焊接的总长，应不小于容器内圆周长度的1/3 ；加强圈两侧的间断焊缝可以错开或并排布置，但焊缝之间的最大间隙l 对外加强圈为 ，对内加强圈为,19,加强圈的型式及连接结构,20,加强圈的计算,1、一是在圆筒上应设置多少个加强圈，即加 强圈间距Ls的确定,加强圈个数,无加强圈时壳体总的计算长度,加强圈的最大间距,21,加强圈的计算,当加强圈个数为N时，其计算长度或加强圈间距,2、加强圈应取多大的截面，即加强圈需要多大的 截面惯性矩 才能保证圆筒和加强圈不致失稳,系数A由加强圈材料的相应材料曲线确定,22,加强圈的计算,由B求A查材料曲线时，若材料曲线图中有交点，则 直接由图中查取；若材料曲线图中无交点，则按,计算求得。,等效厚度,23,计算加强圈和圆筒有效段组合截面的综合惯性矩,圆筒有效段截面的惯性矩,圆筒起加强作用有效段的 截面面积,组合截面的综合惯性矩,24,加强圈的