化工设备机械基础8-外压容器.ppt

外压容器设计,15.1 概述 15.2 外压薄壁圆筒的厚度设计 15.3 外压封头的厚度设计,15.1 概述,15.1.1 稳定的概念 所谓稳定是就平衡而言。平衡有稳定的平衡与不稳定的平衡。小球处于凹处A或C，它所具有的平衡是稳定的；小球处于曲面的顶点B处，虽然也可处于平衡，但是这种平衡是不稳定的，只要有微小的外力干扰使它离开B点，它就不会自动回复到原来的位置。,15.1.2 “稳定”问题实例,1.压杆,拉杆不失稳,压杆可能失稳,影响压杆稳定性的因素 1.杆件的柔度L/D（长度直径比） 2.杆件材料的机械性能，E 3.由外载荷F引起的（杆件内应力）,2.外压容器的失稳,外压圆筒的横向与轴向失稳(e)的变形,使外压圆筒从在圆的形状下能够维持稳定的平衡过渡到不能维持稳定平衡的那个压力，称为该外压圆筒的临界压力pcr。,（1）筒体几何尺寸 a. L/D0有关 b. e/D0有关 c. 是否有加强圈,外压容器失稳的影响因素,（2）筒体材料的机械性能：E，E增大，pcr增大，抗变形能力越强，但各种钢的E值相差不大，所以用高强度钢代替一般碳钢制造外压容器，并不能提高pcr 。 （3）外载荷,（1）受横向压力作用，容器变成波纹形式（图15-1中abcd） （2）受轴向压力作用，容器变成图15-2 外压容器失稳，发生在2s的时候 外压容器维持正常操作的基本条件：可靠地保持原来的形状和尺寸,外压容器失稳形式,（1）容器截面形状不规则 （2）材料厚度的不均匀 （3）载荷有不稳定变化，交变性,外压容器提前失稳,15.2 外压圆筒的厚度设计,15.2.1 解析法,1.临界压力和临界长度,当短圆筒的长度增大一定值时，封头对筒体的支撑作用消失，这时这个短圆筒的临界压力将和长圆筒的临界压力相等，即,当圆筒的计算长度LLcr时，为长圆筒；否则为短圆筒。,临界压力pcr的讨论,圆筒被压屈服时的屈服压力为,比较： pcr ps ，稳定破坏总是先于强度破坏； 强度上的承压能力与强度指标s有关，而稳定上的承压能力与E有关； 筒体的长度不影响强度，但影响稳定性；,pcr：按容器失稳影响因素，理论计算出的最大允许工作压力 p：考虑到实际因素计算出的最大允许工作外压,2.设计参数,计算长度L,当圆筒上焊有刚性构件时，其计算长度系指两个刚性构件之间的最大距离，封头、法兰、加强圈等均可视作刚性构件。对于凸形封头，应计入直边高度及封头其余部分的三分之一。,设计压力p,稳定系数m,我国一般取3（圆筒、锥壳），球壳、椭圆形、蝶形封头取14.52。m值与所用公式的精确程度、制造技术所能保证的质量（如形状公差）等有关。当筒体制造完时的椭圆度e0.5%DN时，且大于25mm时，其初始椭圆度会降低圆筒的临界压力，就不能再用m3计算。,试验压力,3.计算步骤,（1） 假设一名义厚度n，则 e=n-C （2）求Lcr （3）比较L与Lcr，确定计算公式求pcr和p （4）比较p与p，若p小于且接近于p，则假设n符合要求。否则再另设，直至满足要求,注意：应用本计算方法时，临界应力应在弹性范围之内,例题 有一减压精馏塔，内径为2400mm，壁厚附加量为C1+C2=2mm，筒体自长 24600mm(含封头直边高度)，筒体上下端均为标准椭圆形封头，已知塔内真空度为30mmHg，设计温度150，塔体无安全装置。已知材料的弹性模量E2.1105MPa，长圆筒的pcr=2.2E(e/Do)3，短圆筒的pcr=2.59E(e/Do)2.5/(L/Do)。当塔体的壁厚为10mm时，请采用解析法确定塔体的稳定性是否符合要求。,解： 依题意知C1+C2=2mm 故e=n-C=8mmD0=Di+2n=2420mm L=24600mm+400mm=25000mmLcr，圆筒为短圆筒（计算长度取24600也算对。） 由于是减压精馏塔真空度为30mmHg，故设计压力 p=30mmHg=0.004MPa，pp，因此取壁厚n=10mm能承受0.004MPa的外压,15.2.2 算图法（GB1501998）,1.临界应力cr和临界应变cr,2.算图法的思路,需要两个关系： （1）几何参数与A的关系； （2）B与A的关系,（3）步骤（对Do/e20的管子）,（1）假设一名义厚度n，则 e=n-CL/Do，Do/e （2）由图15-4查得系数A； （3）根据不同材料的A-B关系图，由A求得B； （4）p=Be/Do或p=2AEe/3Do ； （5）比较p与p,15.3 外压凸性封头的设计,m稳定系数，对于凸形封头和球壳，有关标准取m=15,Ro凸形封头球面部分内半径或当量半径，mm。,凸形封头在弹性段内的许用外压按下式计算：,凸形封头设计步骤,（1）假设一名义厚度n，则 e=n-Ce/Ro （2）计算系数A,（3）根据不同材料的A-B关系图，由A求得B， p=Be/Ro （4）比较p与p,15.4 外压锥形封头和筒体,15.5 加强圈的设计,15.5.1 加强圈的作用及结构,设计外压圆筒时，若pp，则可用增加厚度或缩短圆筒计算长度的方法来解决。在圆筒的外部或内部设置加强圈可以减小圆筒的计算长度，此法比增加壁厚更节省材料，经济。,1.加强圈的作用 （1）有效降低容器的有效长度L （2）提高p （3）降低容器的n （4）防止过多的材料消耗,2.加强圈的材料 要有足够的刚性，常用角钢、扁钢、工字钢,3.加强圈的焊接 联接必须保证加强圈和筒体一起受力，联接方式常用焊接 （1）加强圈自身在进行焊接时，一定采用对接焊 （2）若加强圈安装在筒体外部，加强圈可以与筒体间可以采用连续焊接或间断焊接；焊缝总长度不小于筒体外周长的1/2，且间断焊缝最大间距不大于筒体壁厚的8倍 （3）若加强圈焊在筒内，加强圈可以与筒体间可以采用连续焊接或间断焊接；则焊缝总长度不应小于内圆周长度的1/3，且焊缝间距不得大于筒体壁厚的12倍 （4）加强圈不应任意削弱或断开。如水平容器中的加强圈往往必须开一个排液用的小孔，加强圈允许割开或削弱的最大弧长间断值，可由有关规定查得。,15.5.2 加强圈的计算方法及步骤,（1）初定加强圈的数目和间距Ls,（2）选择加强圈的材料并初定截面尺寸(按型钢规格)，再计算它的横截面积As和加强圈与有效段筒体实际所具有的综合惯矩Is,（3）求为满足稳定