第四章 外压圆筒与封头的设计

1、2020/11/7,.,第五章 外压圆筒与封头的设计,5.1 概述,5.2 临界压力,5.3 外压圆筒的工程设计,5.5 外压圆筒加强圈的设计,5.4 外压球壳与凸形封头的设计,2020/11/7,.,5.1.1外压容器的失稳 1.外压容器：壳体外部压力大于壳体内部压力的容器,实例：减压精馏塔、真空冷凝器、夹套反应釜等,5.1概述,2020/11/7,.,2、外压薄壁容器的受力形式： 内压薄壁圆筒：拉应力， 即m= PD/4，= PD/2。 外压薄壁圆筒：压应力， 失效形式： 内压容器：强度破坏；,外压容器：很少因为强度不足发生破坏，常常是因为刚度不足而发生失稳。,2020/11/7,.,3、

2、失稳及其实质 失稳：承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一数值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸除后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的失稳。,2020/11/7,.,5.1.2容器失稳型式的分类 1、侧向失稳,容器由均匀侧向外压引起的失稳，叫侧向失稳，特点是失稳时，壳体横断面由原来的圆形变为波形，波数可以是两个、三个、四个，如图所示,2020/11/7,.,2、轴向失稳 容器承受轴向外压，失稳后，仍然 具有圆形的横截面，母线产生了波形。,2020/11/7,.,5.2 临界压力,5.2.1临界压力的概念 临界压力：导致筒体失稳的最小压力。以Pcr表示。 5.2.2

3、影响临界压力的因素 1、筒体几何尺寸的影响 主要考虑筒体的L/D和/D。,2020/11/7,.,表5-1 外压圆筒稳定性实验,比较和，L/D相同时，/D越大，临界压力越高； 比较和， /D相同时，L/D越小，临界压力越高； 比较和， /D，L/D相同时，有加强圈的，临界压力高。,2020/11/7,.,分析： （1）侧向失稳，圆筒环向纤维受弯，所以L/D相同时， /D越大，筒壁抵抗变形的能力越强，临界压力越高； （2）封头的刚性较筒体的刚性强，所以/D相同时，L/D越小，临界压力越高； （3）加强圈对圆筒可以起到支撑作用，所以/D，L/D相同时，有加强圈的，临界压力高。 计算长度：指两相邻刚

4、性支撑件（加强圈、封头、法兰等）的间距。 封头的计算长度为凸形封头1/3的凸面高度。,2020/11/7,.,5.2临界压力,2、筒体材料性能的影响 圆筒失稳时，在绝大多数情况下，筒壁内的压应力并没有达到材料的屈服点（即弹性失稳） 。故这种情况失稳与材料的屈服点无关，只与材料的弹性模数E和泊松比有关。材料的弹性模数E和泊松比越大，其抵抗变形的能力就越强，因而其临界压力也就越高。 但是，由于各种钢材的E和值相差不大，所以 选用高强度钢代替一般碳素钢制造并不能提高筒体的临界压力。,2020/11/7,.,5.2临界压力,3、筒体椭圆度和材料不均匀性的影响 （1）稳定性的破坏并不是由于壳体存在椭圆度

5、或材料不均匀而引起的。无论壳体的形状多么精确，材料多么均匀，当外压力达到一定数值时也会失稳。 （2）但是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，使失稳提前发生。 椭圆度：e = （Dmax - Dmin）/DN，此处Dmax及Dmin分别为筒体同一横截面上的最大及最小内直径，DN为圆筒的公称直径。,2020/11/7,.,5.2临界压力,5.2.3长圆筒、短圆筒、钢性圆筒,2020/11/7,.,5.2临界压力,长圆筒的临界压力与长度无关，仅与圆筒厚与直径的比值有关。,1. 长圆筒临界压力：,2. 短圆筒临界压力：,e：筒体的有效壁厚，mm； D0：筒体的外直径，mm； L ：

6、筒体的计算长度，mm。,短圆筒的临界压力随筒体计算长度增加而减小。,2020/11/7,.,3、刚性圆筒 刚性圆筒不存在弹性失稳而破坏的问题，只需校核其强度是否足够。其强度校核公式与计算内压圆筒的公式一样，只是式中的许用应力采用材料的压缩许用应力。,2020/11/7,.,5.2临界压力,5.2.5临界长度 1、临界长度 划分长、短和刚性圆筒之间的一个长度标准。外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可根据临界长度Lcr来判定。 2、Lcr和Lcr/ 当圆筒处于临界长度Lcr时，用长圆筒公式计算所得的临界压力值Pcr和用短圆筒公式计算的临界压力值Pcr/应相等，即,2020/11/7,.,5.2临界压力,计算长度LLcr时，圆筒为长圆筒 计算长度LLcr时，圆筒为短圆筒 同理，当圆筒处于临界长度Lcr时，用短圆筒公式计算所得的临界压力值Lcr和用刚性圆筒公式计算的最大允许工作压力值Pw应相等，此时求出的L即为Lcr 。 3、长圆筒、短圆筒和刚性圆筒的定量描述 若某圆筒的计算长度为L，则： LLcr， 属于长圆筒； Lcr LLcr， 属于短圆筒； L Lcr ， 属于刚性圆筒。,2020/11/7,.,外压筒体计算长