第五章外压容器设计

1、第五章第五章 外压容器设计外压容器设计一、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压力。外压容器：容器外部压力大于内部压力。 石油、化工生产中外压操作，例如：石油分馏石油、化工生产中外压操作，例如：石油分馏中的减压蒸馏塔、多效蒸发中的真空冷凝器、带中的减压蒸馏塔、多效蒸发中的真空冷凝器、带有蒸汽加热夹套的反应釜有蒸汽加热夹套的反应釜, ,真空干燥、真空结晶真空干燥、真空结晶设备等。设备等。第一节第一节 概概 述述失稳的概念：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。力，是压应力。也会发生强度破坏。 容

2、器强度足够却突然失去了原有的形状，筒壁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。有形状的现象称弹性失稳。容器发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作，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。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，在失稳时，产生了外压失稳前，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。以弯曲应力为主的附加应力。 外压容器的

3、失稳，实际上是容器筒壁内的应力状态由单外压容器的失稳，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。纯的压应力平衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡。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，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、四个其波形数可以等于两个、三个、四个。轴向失稳轴向失稳 v薄壁圆筒承受轴向外压，薄壁圆筒承受轴向外压，当载荷达到某一数值时，当载荷达到某一数值时，也会丧失稳定性。也会丧失稳定性。v失稳，仍具有圆环截面，失稳，仍具有圆环截面，但

4、破坏了母线的直线性，但破坏了母线的直线性，母线产生了波形，即圆筒母线产生了波形，即圆筒发生了褶绉。发生了褶绉。二、临界压力及其影响因素二、临界压力及其影响因素临界压力：导致筒体失稳的外压，临界压力：导致筒体失稳的外压，P Pcr cr临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁内的环向压缩应临界应力：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其原先形状，即，变形在压力卸除后能恢复其原先形状，即发生弹性变形。发生弹性变形。达到或高于达到或高于P Pcr cr时，产生的曲波形将是不可能恢复的。时，产生的曲波形将是

5、不可能恢复的。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，不是由于圆筒不圆或是材料失稳是固有性质，不是由于圆筒不圆或是材料不均或其它原因所导致。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。个固有的临界压力值。 临界压力的大小与筒体几何尺寸、材质及结构临界压力的大小与筒体几何尺寸、材质及结构因素有关。因素有关。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，筒体的失稳压瘪，筒体的L/D值较大，失稳

6、时的临界压力与值较大，失稳时的临界压力与d de e/ /D D 有有关关, ,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：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较较大，容器的刚性好，不会因失稳而破坏。大，容器的刚性好，不会因失稳而破坏。2. 筒体材料性能筒体材

7、料性能 薄壁筒体的临界压力与材料的屈服极限无关，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而与材料的弹性模量E和泊桑比和泊桑比m m有关。有关。 E、m m值较值较大的材料抵抗变形的能力大的材料抵抗变形的能力较强，其临界压力也较较强，其临界压力也较高。高。3. 筒体的椭圆度和材料的不均匀性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。压力的大小。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， mmmm； D

8、 D- -筒体的平均直径，筒体的平均直径， mmmm E 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：302)(12DEpecrdm第二节第二节 薄壁筒体的临界压力计算公式薄壁筒体的临界压力计算公式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3)(20. 2DEpec

9、rd302)(12DEpecrdm2)(1 . 12DEDPeecrcrdds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，也随相有关，也随相对长度对长度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。)/()/(59. 25 . 2DLDEpecrd5 . 1/3 . 12DDLEDpeecrcrdds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，可根据实际外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可根据临

10、界长度临界长度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，长圆筒公式计算时，长圆筒公式计算临界压力临界压力P Pcr cr值和短圆筒公式计算临界压力值和短圆筒公式计算临界压力P Pcr cr值应相等值应相等)/()/(59. 2)(20. 25 . 23DLDEDEeedd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一定的不

11、圆度，公式的使用范围必须要求限制筒体的圆度制筒体的圆度e e。ecrDDLd0017. 1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。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。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

12、不均匀性能使其临界压力的数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。值降低，使失稳提前发生。 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。 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圆度，长圆筒或管子一般压力达到临界压力值的的 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

13、允许在外压力等于或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，即许用压力比临界压力小，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：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

14、D有关。有关。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 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 小于临界压小于临界压力力P Pcr cr，即稳定条件为：，即稳定条件为：pmpcr一、解析法一、解析法dddeecrcrDmLDEpDeEp002359. 202 . 2短圆筒长圆筒求求Pcr，确定，确定P302 . 2 EmpDcd4 . 00059. 2EDLmpDcd二、图算法二、图算法 长、短圆筒临界压力计算长、短圆筒临界压力计算式均可归

15、纳为式均可归纳为30)(DKEpecrdK K为特征系数，为特征系数，00,DDLKed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)(212DKEDpeecrcrdds周向应变以A代替00,DLDfAed eDBpd0ss32,3232的关系是即而BAAEAB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 D0 0、D D0 0/

16、/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算图中得到系数A A； 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 ：eDBpd/0)/(320eDAEpdd. 比较许用外压比较许用外压p与设计外压与设计外压p若若pp，假设的厚度，假设的厚度d dn可用，若小得过多，可用，若小得过多，可将可将d dn适当减小，重复上述计算适当减小，重复上述计算若若pp，需增大初设的，需增大初设的d dn，重复上述计算，重复上述计算

17、，直至使直至使pp且接近且接近p为止。为止。2. 2. D D0 0/ /d de e2020的外压圆筒及外压管子的外压圆筒及外压管子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，但对对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； 20)/(1 . 1eDAdBDpe0625. 0/25. 201db 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中的较小值为中的较小值为许用外压许用外压 p p

18、BDpe)0625. 0/25. 2(01dt 2sstts2 . 09 . 09 . 0sss或s s0 0取以下两式中的较小值取以下两式中的较小值/11 /20002eeDDpdds0=minc 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 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，重复上述计算，直至使使 p p p p且接近且接近p p为止为止。设计外压：设计外压：不小于正

19、常工作过程中可能出现的最大内外压不小于正常工作过程中可能出现的最大内外压力差。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倍倍最大内外压差或最大内外压差或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带夹套容器：真空设计压力再加上夹套设计压力。力。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不小于正常工作过程中可能出现的最大内外压力差。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

20、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：带夹套容器： 真空设计压力再加上夹套设计压力。真空设计压力再加上夹套设计压力。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，应计入凸对与封头相连接的那段筒体而言，应计入凸形封头中的形封头中的1/31/3的凸面高度。的凸面高度。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，试验压力取压试验，试验压力取1.

21、251.25倍的设计外压，即倍的设计外压，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. 1ppT15. 1气压试验气压试验例：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

22、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=1.69=1.691010

23、5 5MPaMPa p p 0.1MPa0.1MPa，所以，所以7mm7mm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时时查图得查图得A=0.000013A=0.000013。查图，。查图，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。132. 3122200063400DL4 .2021020240eDdMP

24、aDBpe072. 04 .2021103 . 11069. 132/450d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。126. 3142200063400DL1691220280eDdMPaDBpe12. 01691108 . 11069. 132/450d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增加壁厚或减少计

25、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。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，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。可以提高圆筒的临界压力，从而提高其工作外压。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。加强圈最大间距：加强圈最大间距： 外压圆