第八章 外压容器设计

第八章外压容器8.1外压容器失稳与临界压力8.1.1外压容器失稳外压容器：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、真空干燥、真空结晶设备等。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。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，产生了以弯曲应力为主的附加应力。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失稳的分类侧向失稳轴向失稳局部失稳侧向失稳侧向失稳:由于均匀侧向外压引起的失稳称为侧向失稳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……。图片轴向失稳轴向失稳：薄壁圆筒承受轴向外压，当载荷达到某一数值时，也会丧失稳定性。失稳后，仍具有圆环截面，但破坏了母线的直线性，母线产生了波形，即圆筒发生了褶绉。局部失稳

局部失稳：在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的局部外压也可能引起局部失稳。8.1.2临界压力计算临界压力:导致筒体失稳的外压,以Pcr表示临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁内的环向压缩应力，以表示。外压低于Pcr，变形在压力卸除后能恢复其原先形状，即发生弹性变形。达到或高于Pcr时，产生的曲波形将是不可能恢复的。临界压力与哪些因素有关?1、材料的弹性模量E、泊松比有关2、容器的几何特性尺寸3、容器的几何形状的偏差也会降低临界压力（如椭圆度）外压圆筒的分类

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，出现波纹数n=2的扁圆形。短圆筒：两端封头对筒体变形有约束作用，失稳破坏波数n>2，出现三波、四波等的曲形波。刚性圆筒：若筒体较短，筒壁较厚，即L/D0较小，较大，容器的刚性好，不会因失稳而破坏。长圆筒长圆筒的临界压力计算公式：勃莱斯公式式中：Pcr-临界压力，MPa；

de-筒体的有效厚度，mm；

D0-筒体的外直径，mmE-操作温度下圆筒材料的弹性模量，MPa-材料的泊松比。分析：长圆筒的临界压力仅与圆筒的相对厚度有关，而与圆筒的相对长度L/D0无关。对于钢制圆筒，m=0.3，则适用于弹性失稳,非弹性失稳误差较大,失稳时的周向临界应力短圆筒米赛斯公式:短圆筒的临界压力计算公式：拉姆近似式：短圆筒临界压力与相对厚度有关，也随相对长度L/D0变化。L/D0越大，封头的约束作用越小，临界压力越低。计算长度L为筒体计算长度，指两相邻加强圈的间距；对与封头相连接的那段筒体而言，应计入凸形封头中的1/3的凸面高度。说明：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及材料均匀的情况下得到的。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。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。刚性筒刚性筒是强度破坏，计算时只要满足强度要求即可，其强度校核公式与内压圆筒相同。临界长度当圆筒处于临界长度Lcr时，长圆筒公式计算临界压力Pcr值和短圆筒公式计算临界压力Pcr值应相等实际外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可根据临界长度Lcr来判定。临界长度的计算公式当筒长度L≥Lcr，Pcr按长圆筒当筒长度L≤Lcr时，Pcr按短圆筒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圆度e。8.2外压圆筒的设计算法概述外压筒体的设计与内压筒体相比，共同点都是要满足强度条件，不同点的外压筒体要进行稳定性校核，为提高稳定性，常设有加强圈，这使受力和稳定性计算变得更为复杂，初始椭圆度也会导致失稳压力降低，因此对椭圆度要严格控制，不同几何特性的外压筒体会出现不同的破坏形式，相应要用不同方式进行计算，设计一个外压筒体要先作假设（假设壁厚），经反复计算校核后才能完成。工程上设计外压容器多辅以算图来简化设计过程，常用方法解析法和图算法。设计思路外压设计的总体思路：保证工作压力P小于许用外压[P]而[P]=Pcr/mm决定于Pcr的准确程度、制造技术、焊缝结构形式等因素。我国规定m=38.2.1解析法：根据容器的操作工况，选筒体材料；假设壁厚，确定有效壁厚；根据已知条件计算，与相比确定圆筒的长、短圆筒属性；根据筒体属性，确定其许用设计外压力；确定设计外压力p

且接近时，假设的壁厚可作为设计壁厚，相差太大，假设的壁厚不合适，应重选，再重复以上计算步骤，直至满足要求为止。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力差。真空容器：有安全控制装置（真空泄放阀），取1.25倍最大内外压差或0.1MPa中较小值；无安全控制装置，取0.1MPa带夹套容器：真空设计压力再加上夹套设计压力。8.2.2图算法

工程上设计外压容器多辅以算图来简化设计过程，常用的方法有解析法和图算法，GB150推荐的是图算法图算法外压筒体的稳定性校核是以米赛斯公式为基础，经简化制成算图进行计算的。B与A的关系利用材料单向拉伸应力－应变曲线，纵坐标按2/3的比例缩小，得B与A的关系曲线由A查图14-7至图14-9得到B利用图算法可使外压容器的设计计算简便但仍需试算算图算图设计步骤1、假设,计算,定出、值；2、根据几何特性尺寸按图14-6纵坐标找到值，由此点沿水平方向右移与线相交（遇中间值

则用内插法，若，用查图，交点对应的横坐标的值为A；3、根据所用材料，设计温度，从A-B关系图（图814-7至图14-9）中选用，读出B值，计算许用外压力[p]：许用外压力[p]：诺A点处于温度线的右方（非弹性失稳，E非定值），由此点垂直上移，与材料的温度线的交点（中间值采用内插法）所对应的纵坐标值为B；若所得A处于温度线左方，属弹性失稳，E为定值，设计步骤4、比较许用外压[p]与设计外压p若p≤[p]，假设的厚度可用，若小得过多，可将适当减小，重复上述计算若p＞[p]，需增大初设的，重复上述计算，直至使[p]＞p且接近p为止。8.2.3外压容器的试压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1.25倍的设计外压，即式中p-设计外压力，MPa；pT-试验压力，MPa。气压试验夹套容器试压夹套容器内筒如设计压力为正值时，按内压容器试压；如设计压力为负值时按外压容器进行液压试验。夹套容器液压试验合格后再焊接夹套。夹套内压试验压力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。不满足稳定性，则液压试验时容器内保持一定压力，以便在整个试压过程中，夹套与筒体的压力差不超过设计值。例：某圆筒形容器，其内径2400mm，长14000mm，，两标准椭圆形封头，直边高度为50mm，材料为0Cr18Ni9，最高温度为480C，真空下操作，无安全控制装置，腐蚀余量为0，分别用解析法和算图法求筒体厚度。例：分馏塔内径2000mm，塔身(不包括椭圆形封头)长度为6000mm，封头深度500mm。370℃及真空条件下操作。现库存有9、12、14mm厚20g钢板。能否用这三种钢板制造。8.3真空容器加强圈的计算10.3.1加强圈的作用及结构要求10.3.1.1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。

扁钢、角钢、工字钢等都以制作加强圈。在圆筒的外部或内部设置加强圈可以减小筒体的计算长度（两刚性构件之间的最大距离）8.3.1.2结构加强圈应有足够的刚性，常用角钢、扁钢、工字钢或其他型钢制成，因为型钢的截面惯性矩大且成型方便，容器内构件如塔盘，若设计成起加强作用时，也可作加强圈用。加强圈可设置在容器的内部或外部，通常采用连续焊缝或间隙焊缝与筒体相连，设置在筒外的加强圈，每侧间断焊缝的总长应不小于容器外周长的1/2，在筒体的内部时，应不小于筒体内周长的1/3，加强圈两侧的间断焊缝可以相互错开或并排布置，焊缝间的最大间隙，外加强圈为，内加强圈为。结构图加强圈不得任意削弱或割断，水平容器加强圈须开排液小孔。允许割开或削弱而不需补强的最大弧长间断值，留出的间隙弧长应符合GB150的规定。8.3.2加强圈的设计计算及步骤设置加强圈后，加强圈与筒体的有效段组合成一刚性较大的圆环。装有加强圈的筒体，受外力作用时，作用在加强圈两侧各L/2范围内筒体上的外压力，通常由部分筒体（宽度为2b的筒体）有效段与加强圈所组成的具有组合截面的刚性环来承担。加强圈的设计计算与步骤（参考）1、初定加强圈的数目n和间距；2、选择加强圈的材料，初定加强圈的结构与截面尺寸（或型钢规格），计算或由有关手册查出其截面面积及加强圈与有效段筒体实际所具有的组合惯性矩见例8-3；3、根据设计压力p，圆筒外直径和有效厚度（加强圈面积A及加强圈间距L）可计算B值；GB150规定：加强圈的设计计算与步骤：4、应用图8-21－图8-2