外压容器设计

1、第四章 外压容器设计1化化 工工 容容 器器 设设 计计第四章 外压容器设计潘家祯华东理工大学机械与动力工程学院第四章 外压容器设计2第四章 外压容器设计 第一节 概述 第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算 第三节 外压圆筒的设计计算 第四节 外压封头和法兰设计 第四章 外压容器设计3第一节 概述一、外压容器的失效形式 外压容器的失效形式有两种：v发生压缩屈服破坏;v当外压达到一定的数值时，壳体的径向挠度随压缩应力的增加急剧增大，直至容器压扁，这种现象称为外压容器的失稳或屈曲。 第四章 外压容器设计4第一节 概述二、临界压力l外压容器发生失稳时的相应压力称为临界压力 。l薄壁圆筒受侧向均布外力作用

2、，一旦达到临界压力时，沿周向将形成几个波。 外压圆筒的失稳形态第四章 外压容器设计5第一节 概述 临界压力 临界压力除与圆筒材料的E、有关外，主要和圆筒长度与直径之比值、壁厚与直径的比值有关。 早期对外压圆筒的分析是按照理想圆柱壳线性小挠度理论进行的，但失稳实验表明该分析结果不正确，根本原因壳体失稳本质上是几何非线性问题，所以失稳分析应按非线性大挠度来考虑。第四章 外压容器设计6第一节 概述 临界压力表述与许用设计外压的确定 p Pcr/m P许用设计外压，MPa Pcr临界压力，MPa m稳定系数， 我国钢制压力容器标准取m=3第四章 外压容器设计7第一节 概述 外压容器的设计参数 1、设计

3、压力和液压试验压力l设计压力P设： 正常工作过程中可能产生的最大内外压差l 真空容器：有安全装置，取（1.25Pmax，0.1MPa）中的 较小值；无有安全装置，取0.1MPal 夹套容器：内部真空，真空容器设计压力夹套设计压力 考虑容器可能出现的最大压差的危险工况。如 内筒泄漏、夹套液压试验等工况第四章 外压容器设计8第一节 概述 1、设计压力和液压试验压力试验压力PT：l不带夹套的外压容器，按内压试验；l带夹套外压容器，夹套试验压力按外压容器，但必须校核内筒的稳定性；l真空容器以内压作压力试验； MPaPMPaPPtT，1 . 025. 1max第四章 外压容器设计9外压容器的设计参数 2

4、、外压筒体计算长度L：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。l对于凸形端盖：L圆筒长封头直边段 端盖深度l对于法兰：L两法兰面之间的距离l对于加强圈：L加强圈中心线之间的距离第一节 概述 31第四章 外压容器设计10外压容器的设计参数 3、外压容器的设计计算 “ 设计规定”稳定性系数m3，此时要求圆筒的不圆度 e 0.5%Dg，且e 25mm.第一节 概述 mPPPcr第四章 外压容器设计11第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算 一、受均布侧向外压的长圆筒的临界压力 二、受均布侧向外压短圆筒的临界压力 三、轴向受压圆筒的临界应力第四章 外压容器设计12第二节 外压薄壁圆筒的稳定性

5、计算一、受均布侧向外压的长圆筒的临界压力 基本概念：长圆筒与短圆筒 l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n=2的波数，这种圆筒称为长圆筒，长圆筒的临界压力与长度无关，仅与圆筒厚度与直径的比值有关。 长圆筒临界压力：l当圆筒的长度与直径之比较小，失稳波数大于2时，称为短圆筒。302 . 2DtEPcr短圆筒临界压力：oocrDLDtEP5 . 2/59. 2Do为圆筒外径第四章 外压容器设计13(一) 圆环的临界载荷l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，弹性失稳时横截面形成n2的波数，这种圆筒称为长圆筒。

6、 l长圆筒的临界压力与长度无关，仅与圆筒壁厚与直径的比值有关 第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算一、受均布侧向外压的长圆筒的临界压力l当圆筒的相对长度较小，两端的约束作用不能忽视，临界压力不仅和壁厚与直径之比有关，而且和长度与直径之比有关，失稳的波数n大于2，称为短圆筒。 第四章 外压容器设计14第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算一、受均布侧向外压的长圆筒的临界压力(一) 圆环的临界载荷圆环临界载荷的表达式： 圆环的惯性矩圆筒的抗弯刚度钢质圆筒， =0.3高度为1的圆环第四章 外压容器设计15(一)未加强圆筒的临界压力第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算二、受均布侧向外压的短圆筒的临界压力Mises在

7、1914年按线性小挠度理论导出短圆筒的临界压力公式：第四章 外压容器设计16(一)未加强圆筒的临界压力第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算二、受均布侧向外压的短圆筒的临界压力第四章 外压容器设计17(二)临界长度第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算二、受均布侧向外压的短圆筒的临界压力图4-6第四章 外压容器设计18(二)带加强圈的圆筒第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算二、受均布侧向外压的短圆筒的临界压力 在既定直径与材料下，提高外压容器的临界压力，可增加筒体厚度或减小计算长度，从减轻容器重量、节约贵重金属出发，减小计算长度更有利。在结构上即是在圆筒的内部或外部相隔一定的距离焊接用型钢做的加强圈，如图所示

8、。因为计算假设圆筒与加强圈同时发生失稳，所以它们达到失稳的必要条件是加强圈必须有足够的刚度或截面惯性矩。 每一加强圈可考虑承受圈两侧Ls/2距离内的外载荷。壳体和加强圈一起承受每单位周长的临界载荷等于pcrLs，得： 第四章 外压容器设计19(二)带加强圈的圆筒第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算二、受均布侧向外压的短圆筒的临界压力对于能起加强作用的有效圆筒器壁与加强圈的组合惯性矩可考虑等效于一单层较厚圆筒，其厚度称为等效厚度te，大小为： 得： 这是带加强圈圆筒保持稳定所必需的最小加强圈与有效壳体组合截面的惯性矩，它是下一节设计带加强圈外压圆筒的基本公式之一。 第四章 外压容器设计20(三)轴向

9、受压圆筒的临界压力第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算二、受均布侧向外压的短圆筒的临界压力 对于受轴向压缩的有限长的薄壁圆筒，不论其是轴对称失稳还是非轴对称失稳，按线性小挠度理论得到的临界应力的结果是一样的，即： 由于线性临界载荷值实际远大于实验值。必须考虑非线性分析。用非线性前屈曲理论和实验研究结果，得到下式的临界压力的经验表达式： 第四章 外压容器设计21(四)非弹性失稳的工程计算第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算二、受均布侧向外压的短圆筒的临界压力 上述分析均假设薄壁圆筒的失稳在弹性范围内，即器壁中的压缩应力不大于材料的比例极限。当该应力超过比例极限，圆筒属于非弹性失稳范畴。若按弹塑性失稳进行

10、理论分析将十分复杂，工程上通常采用近似的处理方法，即利用材料超过比例极限的压缩应变曲线上的切线模量Et(图49)，代替以上弹性假设下确定临界压力的公式中弹性模量E，按此计算的结果与实验结果比较接近。如对于长圆筒，则有： 第四章 外压容器设计22第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算二、受均布侧向外压的短圆筒的临界压力归纳：计算法的步骤：l判断是属于长圆筒还是短圆筒l大于该值用长圆筒公式计算l小于该值用短圆筒公式计算第四章 外压容器设计23第三节 外压圆筒的设计计算一、图算法的原理 由外压圆筒的失稳分析可知，计算圆筒的临界压力首先要确定圆筒包括壁厚在内的几何尺寸，但在设计计算之前壁厚尚是未知量，所以需

11、要一个反复试算的步骤。若用解析法进行外压容器的计算就比较繁复，国外有关设计规范推荐采用比较简便的图算方法，中国容器标准也借鉴此法。本节介绍外压圆筒及带加强圈圆筒的加强圈图算法的原理和用法。 4-84-15第四章 外压容器设计24第三节 外压圆筒的设计计算一、图算法的原理外压圆筒按照圆筒的长度可以分为三种：l长圆筒 临界压力除与材料的E、有关外，与圆筒长度无关，仅与壁厚t 和直径 D0有关，即LL0时，临界压力由式(4-7)或式(4-8)给出。 l短圆筒 失稳时波数 n 2，波数与 t/D 和 L/D 的比值有关，形成不同波数的临界压力也不同，它们的临界压力与t/D 和L/D 有关，即LLcr时

12、，临界压力按式(415)计算。 l刚性圆筒 失效是由于器壁中的压应力达到材料的屈服强度而引起的塑性屈服破坏，因此不存在稳定性问题，其性质与厚壁圆筒相同，只需校核强度是否足够，L的影响不计。 4-84-15第四章 外压容器设计25 假定材料的应力应变曲线为理想弹塑性模型，则对不同的t/D0值可在双对数坐标纸上标绘强度和失稳失效曲线，如图所示。它由三部分组成，代表三种圆筒的力学特征。曲线也可以用另一种方式标绘：第三节 外压圆筒的设计计算一、图算法的原理第四章 外压容器设计26第三节 外压圆筒的设计计算一、图算法的原理设第四章 外压容器设计27第三节 外压圆筒的设计计算一、图算法的原理第四章 外压容

13、器设计28第三节 外压圆筒的设计计算二、图算法的计算步骤第四章 外压容器设计29第三节 外压圆筒的设计计算二、图算法的计算步骤第四章 外压容器设计30第三节 外压圆筒的设计计算三、有关设计参数的规定(一)设计压力和压力试验压力 设计压力的定义与内压容器相同，但其取法不同。外压容器的设计压力应取在正常工作过程中可能产生的最大内外压力差；真空容器按外压容器计算，l 当装有安全控制装置时，取1.25倍最大内外压力差或0.1MPa两者中的较小值；l 当无安全装置时，取0.1MPa。对于带夹套的容器应考虑可能出现最大压差的危险工况，例如当内筒容器突然泄压而夹套内仍有压力时所产生的最大压差。对于带夹套的真

14、空容器，则按上述真空容器选取的设计外压力加上夹套内的设计内压力一起作为设计外压。第四章 外压容器设计31第三节 外压圆筒的设计计算三、有关设计参数的规定(一)设计压力和压力试验压力外压容器的压力试验分为两种情况：l 不带夹套的外压容器和真空容器，以内压进行压力试验，所以试验压力取法同前面内压容器所述； l 带夹套外压容器，则分别确定内筒和夹套的试验压力，除内筒试验压力按确定，因夹套一般受内压，故在按内压容器确定了夹套的试验压力以后，必须按内筒的有效厚度校核在该试验压力下内筒的稳定性。若内筒不能保证足够的稳定性，或增加内筒厚度或在压力试验过程中内筒保持一定的压力，以保证整个试压过程中夹套和简体的压差不超过确定的允许试验压差。 第四章 外压容器设计32第三节 外压圆筒的设计计算四、加强圈的设计计算(一)加强圈尺寸 外压圆筒上设置加强圈借以缩短计算长度，达到减少壁厚的目的。为了保证壳体与加强圈的稳定性，加强圈必须有合适的尺寸， 第四章 外压容器设计33第三节 外压圆筒的设计计算四、加强圈的设计计算(一)加强圈尺寸 先假定加强圈的个数与间距Ls(LsLcr)，然后选择加强圈尺寸，计算或由手册查得As，确定有效壳体的作用宽度，计算加强圈与有效壳体实际的组合惯性矩Js。加强圈和壳体