外压圆筒设计

1、 外压圆筒设计外压圆筒设计一、外压容器失稳一、外压容器失稳外压容器：容器外部压力大于内部外压容器：容器外部压力大于内部压力。压力。石油、化工生产中外压操作，例如：石油、化工生产中外压操作，例如：石油分馏中的减压蒸馏塔、石油分馏中的减压蒸馏塔、多效蒸发中的真空冷凝器、多效蒸发中的真空冷凝器、带有蒸汽加热夹套的反应釜带有蒸汽加热夹套的反应釜 真空干燥、真空结晶设备等。真空干燥、真空结晶设备等。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。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，容器强度足够

2、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压作用下，筒体突然失去原有形状的现象称现象称弹性失稳弹性失稳。容器发生弹性失稳将使容器不能维持正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。常操作，造成容器失效。失稳现象的实质：失稳现象的实质：外压失稳前，只有单纯的压缩应力，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在失稳时，产生了以弯曲应力为主的附加应力。主的附加应力。外压容器的失稳，实际上是外压容器的失稳，实际上是容器筒容器筒壁

3、内的应力状态由单纯的压应力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跃变为主要受弯曲应力的新平衡平衡。 长园筒长园筒二、容器失稳形式二、容器失稳形式侧向失稳侧向失稳v由于均匀侧向外压引起失稳叫侧由于均匀侧向外压引起失稳叫侧向失稳。向失稳。v壳体横断面由原来的圆形被压瘪壳体横断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形，其波形数可以等于而呈现波形，其波形数可以等于两个、三个、四个两个、三个、四个。轴向失稳轴向失稳 v薄壁圆筒承受轴向薄壁圆筒承受轴向外压，当载荷达到外压，当载荷达到某一数值时，也会某一数值时，也会丧失稳定性。丧失稳定性。v失稳，仍具有圆环失稳，仍具有圆环截面，但破坏了母截面，

4、但破坏了母线的直线性，母线线的直线性，母线产生了波形，即圆产生了波形，即圆筒发生了褶绉。筒发生了褶绉。 局部失稳局部失稳在支座或其他支承处以及在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的局在安装运输中由于过大的局部外压也可能引起局部失稳。部外压也可能引起局部失稳。三、临界压力计算三、临界压力计算临界压力：导致筒体失稳的外压力，临界压力：导致筒体失稳的外压力，P Pcr cr临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁内的环向压缩应力，以内的环向压缩应力，以s scr cr表示。表示。外压低于外压低于P Pcr cr，变形在压力卸除后能恢复，变形在压力卸除后能恢复其原

5、先形状，即发生其原先形状，即发生弹性变形弹性变形。达到或高于达到或高于P Pcr cr时，产生的曲波形将是不时，产生的曲波形将是不可能恢复的。可能恢复的。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。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。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、临界压力的大小与筒体几何尺寸、材质及结构因素有关。材质及结构因素有关。根据失稳情况将外压圆筒分为三类：根据失稳情况将外

6、压圆筒分为三类：长圆筒：刚性封头对筒体中部变形不起长圆筒：刚性封头对筒体中部变形不起有效支撑，最容易失稳压瘪，出现波纹有效支撑，最容易失稳压瘪，出现波纹数数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短圆筒：两端封头对筒体变形有约束作用，失稳破坏波数用，失稳破坏波数n2n2，出现三波、四，出现三波、四波等的曲形波。波等的曲形波。刚性圆筒：刚性圆筒：304304不锈钢板不锈钢板若筒体较短，筒若筒体较短，筒壁较厚，即壁较厚，即L L/ /D D0 0较小，较小，d de e/ /D D0 0较大，容器较大，容器的刚性好，不会因失稳而破坏。的刚性好，不会因失稳而破坏。 长圆筒长

7、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， mmmm； D D0 0- -筒体的外直径，筒体的外直径， mmmmE Et t- -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：302)(12DEpecrdmniDDd20v分析：分析： 长圆筒的临界压力仅与圆筒的相长圆筒的临界压力仅与圆筒的相对厚度对厚度d de e/ /D D0 0有关，而与圆筒的相有关，而与圆筒的相对长度对长度L L/ /

8、D D0 0无关。无关。对于钢制圆筒，对于钢制圆筒，m m=0.3=0.3，则，则 30)(20. 2DEpetcrd302)(12DEpecrdm 短圆筒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 D0 0有关，有关，也随相对长度也随相对长度L L/ /D D0 0变化。变化。 L L/ /D D0 0越大，封头的约束作用越小，临界越大，封头的约束作用越小，临界压力越低。压力越低。)/()/(59. 205 . 20DLDEpecrdL L为筒体为筒体计算计算长度长度，指两，指两相邻加强圈相邻加强圈的间

9、距；的间距；对与封头相连对与封头相连接的那段筒接的那段筒体而言，应体而言，应计入凸形封计入凸形封头中的头中的1/31/3的的凸面高度。凸面高度。)/()/(59. 205 . 20DLDEpecrd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。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绝对圆的，实际筒体临界压力将低于计算值。算值。v但即使壳体形状很精确和材料很均匀，但即使壳体形状很精确和材料很均匀

10、，当外压力达到一定数值时，也会失稳，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，使失稳提能使其临界压力的数值降低，使失稳提前发生。前发生。 刚性筒刚性筒 刚性筒是强度破坏，计算时只刚性筒是强度破坏，计算时只要满足强度要求即可，其强要满足强度要求即可，其强度校核公式与内压圆筒相同。度校核公式与内压圆筒相同。 22CppDtidsd圆筒在外压作用下的屈服压力圆筒在外压作用下的屈服压力 对薄壁容器，圆筒外压失稳的压力远小于被压对薄壁容器，圆筒外压失稳的压力远小于被压屈服的压力，即稳定破坏先于强度破坏屈服的压力，即稳定

11、破坏先于强度破坏 圆筒强度上的承压能力与材料的屈服极限圆筒强度上的承压能力与材料的屈服极限s直直接相关，而圆筒稳定性上的承压能力与材料的接相关，而圆筒稳定性上的承压能力与材料的弹性模量弹性模量E直接相关，所以用高强度钢板代替直接相关，所以用高强度钢板代替低强度钢板制作外压圆筒不能有效地提高它的低强度钢板制作外压圆筒不能有效地提高它的抗失稳能力。抗失稳能力。 筒体的长度不能影响圆筒强度的高低，但却影筒体的长度不能影响圆筒强度的高低，但却影响圆筒的临界压力值。响圆筒的临界压力值。02DPessds)/()/(59. 205 . 20DLDEpecrd302)(12DEpecrdm比较比较 临界长度

12、临界长度实际外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可实际外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可根据临界长度根据临界长度L Lcr cr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 Lcr cr时，长圆筒公式时，长圆筒公式计算临界压力计算临界压力P Pcr cr值和短圆筒公式计算临值和短圆筒公式计算临界压力界压力P Pcr cr值应相等值应相等)/()/(59. 2)(20. 205 . 2030DLDEDEeedd得：得：ecrDDLd0017. 1v当筒长度当筒长度LLL Lcr cr时，时，P Pcr cr按短圆筒按短圆筒v 当筒长度当筒长度L LL Lcr cr，P Pcr cr按长圆筒按长圆

13、筒v外压筒体计算长度外压筒体计算长度L L：指筒体上两个刚性构件如指筒体上两个刚性构件如封头、法兰、加强圈之间的最大距离。封头、法兰、加强圈之间的最大距离。对于凸形端盖：L圆筒长封头直边段1/3 端盖深度对于法兰：L两法兰面之间的距离对于加强圈：L加强圈中心线之间的距离 hi/3hi/3hihiLLLLLLhi/3hihi/3(a)(b)(c)(d)(e)(f)四、外压圆筒的设计四、外压圆筒的设计 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，求它的许用外一是已知圆筒的尺寸，求它的许用外压压 p p ；另一是已给定工作外压，确定所需厚另一是已给定

14、工作外压，确定所需厚度度d de e。 1 1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圆度，长圆筒或管子一般压力达到临界压力值的压力值的 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下工作，必须有等于或接近于临界压力下工作，必须有一定的安全裕度，使许用压力比临界压一定的安全裕度，使许用压力比临界压力小，即力小，即 p-许用外压；许用外压； m-稳定安全系数，稳定安全系数，m1mppcr稳定安全系数稳定安全系数mm的选取的选取主要考虑两个因素：主要考虑两个因素：计算公式的

15、可靠性；计算公式的可靠性；制造上所能保证的圆度。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 D0 0/ /d de e、L L/ /D D0 0有关。有关。 公式按规则圆形推的，实际圆筒总存在一定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不圆度，公式的使用范围必须要求限制筒体的圆度的圆度e e。2 2设计外压容器设计外压容器由于由于P Pcr cr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 D0 0、L L）有关，通常采用解析法：）有

16、关，通常采用解析法： 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 小于小于临界压力临界压力P Pcr cr，即稳定条件为：，即稳定条件为：pmpcr解析法:计算步骤1、假设壁厚d dn n，d de e = d dn n-C;计算筒体长度L;2、计算L Lcrcr, ，判断L是否大于Lcr； 对于长圆筒：LLcr， 对于短圆筒： LLcr，3、比较P和P，若PP且较接近，则假设的d dn n符合要求；4、计算 ，工程上 eoocrDDLd17. 1 302 . 2DmEPed ooeDLmDEP/59. 25 . 2deocrcrDPds2tscrss设计外压：设计外压： 不

17、小于正常工作过程中可能出现的最大不小于正常工作过程中可能出现的最大内外压力差。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：真空设计压力再加上夹套带夹套容器：真空设计压力再加上夹套设计压力。设计压力。（二）（二） 图算图算 长、短圆筒临界压力计长、短圆筒临界压力计算式均可归纳为算式均可归纳为)/()/(59. 205 . 20DLDEpecrd30)(DKEpetcrdK K为

18、特征系数，为特征系数，00,DDLKed302)(12DEpecrdm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200)(212DKEDpetecrcrdds 图算法图算法DPoeKEcrd3DDPoeKEeocrcrdds222DtDDoeocrcrLfoeKE,22ds器壁上的应变：器壁上的应变：器壁上的应力：器壁上的应力：K为特征系数为特征系数临界压力：临界压力：图算法来源图算法来源 外压圆筒几何参数计算图外压圆筒几何参数计算图 cr(A) L/Do Do/te DDDDPoecroecroeKEoeKEmPdsddd322323123scrB32AEEBcrcr3

19、23232s DoeBPd圆筒的许用外压力圆筒的许用外压力：令则而此即为BA图的由来ss32,3232的关系是即而BAAEAB图4-7 外压圆筒、管子和球壳厚度计算图(屈服点s207MPa的碳素钢和0Cr13、1Cr13钢)图4-7 外压圆筒、管子和球壳厚度计算图(屈服点s207MPa的碳素钢和0Cr13、1Cr13钢)图4-8 外压圆筒、管子和球壳厚度计算图(16MnR，15CrMo钢)图4-8 外压圆筒、管子和球壳厚度计算图(16MnR，15CrMo钢)图4-9 外压圆筒、管子和球壳厚度计算图(0Cr18Ni9钢)图4-9 外压圆筒、管子和球壳厚度计算图(0Cr18Ni9钢)系数系数A=c

20、r系数系数B/MPa二、图算法的计算步骤1、假设壁厚d dn n，d de e = d dn n-C ，计算筒体长度L;2、计算L/Do、Do/d de e ，查A，若L/Do 50，用L/Do50查A；3、在确定筒体材料后，在对应材料的A-B图上，由A值向上引垂线，查B值。 若A在设计温度的材料线右方，则垂直移 动与材料温度线相交，再水平右移，在图的右方纵坐标上得到B并按下式计算许可设计外压 若A值落在对应的材料温度线的左方（即与材料温度线没有交点），则说明圆筒已发生弹性失稳，B值按下式计算 许可外压为4、比较P和P，若P P且较接近，则假设的d dn n符合要求oeDBPdEAB32oeD

21、BPd五、外压容器的试压五、外压容器的试压外压容器和真空容器按内压容器进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。ppT25. 1v夹套容器内筒如夹套容器内筒如无缝钢管无缝钢管设计设计压力为正值时，按内压容器试压力为正值时，按内压容器试压；如设计压力为负值时按外压；如设计压力为负值时按外压容器进行液压试验。压容器进行液压试验。 v夹套容器液压试验合格后再焊接夹套容器液压试验合格后再焊接夹套。夹套内压试验

22、压力夹套。夹套内压试验压力v夹套内压试验必须事先校核该容夹套内压试验必须事先校核该容器在夹套试压时的稳定性是否足够。器在夹套试压时的稳定性是否足够。v不满足稳定性，则液压试验时容不满足稳定性，则液压试验时容器内保持一定压力，以便在整个试器内保持一定压力，以便在整个试压过程中，夹套与筒体的压力差不压过程中，夹套与筒体的压力差不超过设计值。超过设计值。tTpp25. 1ss例例4-34-3：分馏塔内径：分馏塔内径2000mm2000mm，塔身，塔身( (不包括椭不包括椭圆形封头圆形封头) )长度为长度为6000mm6000mm，封头深度，封头深度500mm500mm。370370及真空条件下操作。

23、现库存有及真空条件下操作。现库存有9 9、1212、14mm14mm厚厚20g20g钢板。能否用这三种钢板制造。钢板。能否用这三种钢板制造。 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、1010和和12mm12mmmmL63405003126000当当d de e=7mm=7mm时时查图查图4-154-15得得A=0.000085A=0.000085。20g20g钢板的钢板的s ss s=250MP

24、a=250MPa（查附录（查附录6 6），查图），查图4-174-17，A A值值点落在材料温度线得左方，故点落在材料温度线得左方，故20g20g钢板钢板370370时的时的E E=1.69=1.6910105 5MPaMPa p p 0.1MPa0.1MPa，所以，所以9mm9mm钢板不能用。钢板不能用。14. 392200063400DL3 .288720180eDdEAB32MPaDBpe033. 03 .2881105 . 81069. 132/550d当当d de e=10mm=10mm时时查图查图4-154-15得得A=0.000013A=0.000013。查图。查图4-174-1

25、7，A A值所值所在点仍在材料温度线得左方，故在点仍在材料温度线得左方，故 p p 0.1MPa0.1MPa，所以，所以12mm12mm钢板也不能用。钢板也不能用。132. 3122200063400DL4 .2021020240eDdMPaDBpe072. 04 .2021103 . 11069. 132/450d当当d de e=12mm=12mm时时 查图查图4-154-15得得A=0.000018A=0.000018。查图。查图4-174-17，A A值值所在点仍在材料温度线得左方，故所在点仍在材料温度线得左方，故 p p 0.1MPa0.1MPa，所以，须采用，所以，须采用14mm1

26、4mm厚的厚的20g20g钢板制造。钢板制造。126. 3142200063400DL1691220280eDdMPaDBpe12. 01691108 . 11069. 132/450d六、加强圈六、加强圈 内径内径2000mm2000mm、全长、全长7000mm7000mm的分馏塔，的分馏塔，要保证在要保证在0.1MPa0.1MPa外压下安全操作，须用外压下安全操作，须用14mm14mm厚钢板。较簿钢板满足不了外压要厚钢板。较簿钢板满足不了外压要求。求。 装上一定数量的加强圈，利用圈对筒壁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。)