外压圆筒设置加强圈的简便计算.pdf

第4 4卷第 5期 2 0 0 7年 1 0月 化工设备与管道 P R O C E S S E QU I P ME N T P I P I N G Vo l 4 4 No 5 0c t 2 0 o7 外压圆筒设置加强圈的简便计算 李 莉 中国石化集团工程建设公司 北京1 0 0 1 0 1 摘要 在外压容器的设计计算当中 设置加强圈是十分常见并且非常重要的一种方法 通过分析给出了一个快 捷 简便 安全有效的计算方法 无需反复试算 一次即可确定合适的加强圈截面尺寸 关键词 外压 圆筒 加 强 圈 中图分类号 T Q 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 3 2 8 1 2 0 0 7 0 5 0 0 2 1 0 3 S i mp l e Ca l c u l a t i o n Fo r Re i n f o r c i n g Ri n g Us e d i n Ex t e r n a l P r e s s u r e Ve s s e l Li Li S i n o p e c E n g i n e e r i n g I n c B e i j i n g 1 0 0 1 0 1 Ab s t r a c t Us e o f r e i n f o r c i n g r i n g i s v e r y p o p u l a r a n d i mp o r t a n t i n d e s i g n o f e x t e r n al v e s s e 1 T h i s c a l c u l a t i o n me t h o d i s q u i c k s i mp l e s a f e a n d e f f e c t i v e T h e s i z e o f r e i nfo r c i n g rin g c a n b e c o n fi r me d b y o n c e c a l c u l a t i o n Ke y wo r d s e x t e r n a l v e s s e l r e i n f o r c i n g r i n g 在压力容器设计当中 除了受内压容器外 还有 不少承受外压的容器 例如 真空贮罐 带夹套的容 器 当夹套中介质的压力高于容器内介质的压力时 也构成了外压容器 外压容器的设计计算主要是考 虑失稳问题 失稳现象的发生致使结构不能保持原 来的形状 从而使结构失稳 对于外压容器 当直径和材料确定的前提下 增 加圆筒厚度6 或减小圆筒计算长度 均可提高其临 界压力 P 值 但从经济角度考虑 减小 比增加 6 更为有利 在外压 圆筒上增设加强 圈 可 以减小 圆 筒的计算长度 提高抗失稳 能力 此法较增加壁厚 节省材料 并可减轻重量约 1 3左右 若是不锈钢 圆筒 在外部增设碳钢加强圈则更为经济 此外 加 强圈还可减少大直径薄壁圆筒形状缺 陷的影 响 提 高结构可靠性 所以设置加强圈是外压圆筒设计中 一 个经常遇见的问题 按照 G B 1 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器 进行加强 圈设计计算时 根据圆筒的外压计算 D 和 6 为 已知 选定加强 圈材料与截面尺寸 并计算它 的横截 面积 A 和加强圈与圆筒有效段组合截面的惯性矩 然后反复试算 直至 I s 且较接近为止 这种 方法需反复试算多次 本文通过对矩形截面加强圈 计算公式进行推导 得出一种快速简捷的计算方法 1 组合惯性矩 矩形截面加强圈是最常用的一种加强圈 它与 壳体有效段组合截面如 图 1 所示 图 1 加强圈与壳体有效段组合截面 收稿 日期 2 0 0 7 0 9 1 1 作者简介 李莉 1 9 7 6 一 女 工程师 从事非标设备设计工作 维普资讯 2 2 化工设备与管道 第 4 4卷第 5期 1 以X X为组合截面中性轴的组合惯性矩 为 n z 一 口 I o 口 1 式中 加强圈惯性矩 m m I o h 3 b 2 h o 加强圈截面有效高度 m m b e 加强圈有效厚度 mm 加强圈有效截面积 m m A h o b 壳体有效厚度 m m z 形心轴矩 m m Z 3 a 组合截面的形心轴矩 m m n 圆筒起加强作用部分的惯性矩 m m I o 1 D 3 4 圆筒起加强作用部分 组合段 的面 积 m m f 加强圈两侧筒体有效段宽度之和 m m 即l 1 1 D 若加强圈中心线两侧壳体的 有效段宽度相重叠 则该壳体的有效段宽度中相重 叠部分每侧按一半计算 2 组合截面的形心轴矩按下式计算 A a z A 0 一 5 把 2 3 4 5 代入 1 式化简得 6 为便于计算 对上式进行适当简化 略去在 计算 中影 响较小的项 使 h 同时略去 一 项 则式 6 为 日 6 A A2 h 4 A 上述简化在工程设计中是安全的 根据数学定理 若 a b为实数 则 a b 2 a b 可推出 若 口 b为正数 则 口 b时 取 A A 一 等号 由上可知 当且仅当 时取等号 即 4 A 那么 把 8 式代入 7 式得 I 凡 2 9 把 A b o h 代入 9 式化简得 7h 3 ob 3 A h 4 8 1 1 0 2 加强圈与壳体组合段所需惯性矩 考虑每个加强 圈承受其两侧各为 2范围 内 的外压 P 则每个加强圈所承受的载荷为 P p L 将承受临界载荷 P 的加强圆按圆环的失稳公 式 5 1 计算所需惯性矩 1 1 2 4 E 7 2 7E 采用式 5 1 计算 圆环 临界压 力 对 于和圆 筒相连在一起的加强 圈 取稳定性安全 系数 m 3 并考虑到加强圈和筒体相连的间断焊 可能削弱或 割断等因素而增加 1 0 的惯性矩裕量 故在设计外 压 P P p r 3时所需要的加强圈惯矩为 1 22 7 E 2 4 E 7 上式算得的 就是按稳定性要求所需的最小惯 性矩 该式适用于弹性稳定问题 应用上式时 应力应 控制在弹性范 围 工程上可近似用屈服强度来限制 即 3 tr 由于工程设计需要 假定 I s 1 4 把 1 4 式代人 1 0 式得 b 4 8 I一3 7 h 1 5 利用上式即可一次求出矩形加强圈的截面尺寸 下面举例说 明 以文献 5 第 8 1 页的例题为例 已知 P 0 0 7 MP a D 2 0 2 0 mm L 2 1 0 8 mm t 3 7 0 C 8 1 0 mm C C1 C 2 3 mI n 8 8一C 7 n 3 i n 盯 1 4 3 M P a E 1 6 9 1 0 MP a 材料选用 2 0 R 设定加强圈高度 h 8 0 m m 确定加强圈厚度 b 解 1 求加强圈与壳体组合段所需惯性矩 由式 1 2 得 0 9 9 1 0 2 L 1 1 D 8 1 3 0 8 m m A 8 L 91 5 6 mm 取 h 8 0 m m 由 1 5 式得 b 8 3 5 m m 考虑加强圈腐蚀裕度每侧 1 m m 则加强圈截面 尺寸为 8 0 m m 1 2 mm 3 应力校核由 1 3 式得 2 8 4 5 M P a tm O 丽 若将此结果代人文献 5 中 加强 圈也是满足 设计要求的 4 结论 在外压容器的设计计算当中 设置加强圈是十 分常见并且非常重要的一种方法 使用本文中所列 公式进行加强圈的设计计算 无需反复试算 一次即 可确定合适的加强 圈截面尺寸 通过实践证 明 这 是一个快捷 简便 安全有效的计算方法 参 考 文 献 1 G B 1 5 O 一1 9 9 8钢制压力容器 s 2 丁伯民 钢制压力容器 设计 制造与检验 M 上海 华 东化工学院 出版社 1 9 9 2 3 吴泽炜 化工容器设计 M 武汉 湖北科学技术出版社 1 98 5 4 刘 鸿文 材 料 力 学 M 上 册 北 京 高 等教 育 出 版社 1 98 4 5 李世玉 桑如苞 压力容器工程师设计指南 M 北京 化学 工 出版社 1 9 9 4 2 0 0 8年 流体机械 征订启事 流体机械 杂志是经国家新闻出版署批准的中央级技术刊物 中国机械和仪表类核心期刊 国内外公开发行 月刊 大 1 6 开 6 4页 每期定价 8 0 0元 全年定价9 6元 邮局征订代号 2 6 1 2 9 主办单位 中国机械工程学会 承办单位 中国机械工程学会流体工程分会 中国制冷学会第二专业委员会 合肥通用机械研究院 报道范围 压缩机 风机 泵 阀门与管道 分离机械 流体密封 喷射设备 制冷机械 包括空调 冰箱 栏目设置 试验研究 设计计算 产品开发 制造工艺 故障分析 运行监测 技术综述 经验交流 信息报道