过程设备设计第四章(4.3.2.4)ppt课件

1 过程设备设计 4 3常规设计 2 过程设备设计 4 3常规设计 3 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 工程设计方法 4 设计原则 设计实质 稳定性问题 5 过程设备设计 一 解析法设计步骤 假设筒体的名义厚度 n 计算有效厚度 e 求出临界长度Lcr 将圆筒的外压计算长度L与Lcr进行比较 判断圆筒属于长圆筒还是短圆筒 然后根据圆筒类型 选用相应公式计算临界压力Pcr 再选取合适的稳定性安全系数m 计算许用外压 p 比较设计压力p和 p 的大小 若p小于等于 p 且较为接近 则假设的名义厚度 n符合要求 否则应重新假设 n 重复以上步骤 直到满足要求为止 特点 反复试算 比较繁琐 6 过程设备设计 中的中面直径D 厚度t相应改为外径Do 有效厚度 e 得 二 图算法原理 标准规范采用 将式 2 92 2 97 算图来源 假设 圆筒仅受径向均匀外压 而不受轴向外压 与圆环一样处于单向 周向 应力状态 7 过程设备设计 长圆筒临界压力 短圆筒临界压力 圆筒在pcr作用下 产生的周向应力 不论长圆筒或短圆筒 失稳时周向应变 按单向应力时的虎克定律 为 为避开材料的弹性模量E 塑性状态为变量 采用应变表征失稳时的特征 4 21 8 过程设备设计 9 过程设备设计 令A cr 以A作为横坐标 L Do作为纵坐标 Do e作为参量绘成曲线 见图4 6 径向受均匀外压 径向和轴向受相同外压的圆筒 1 几何参数计算图 L Do Do e A关系曲线 适用 与材料弹性模量E无关 对任何材料的筒体都适用 讨论 长圆筒 与纵坐标平行的直线簇 失稳时周向应变A与L Do无关 短圆筒 斜平行线簇 失稳时A与L Do Do e都有关 拐点 Lcr Do之比值 用途 10 11 过程设备设计 由L Do Do e 图4 6 周向应变A 找出A与pcr的关系 判定筒体在操作外压力下是否安全 临界压力pcr 稳定性安全系数m 许用外压力 p 故pcr m p 2 厚度计算图 不同材料 B A关系曲线 代入式 4 21 整理得 4 21 即 查 12 过程设备设计 4 25 由该试建立B与A的关系图 以A作为横坐标 B作为纵坐标 材料温度线作为参量绘成曲线 见图4 7 4 9 实质 反映关系 按材料的拉伸曲线在纵坐标方向按2 3比例缩小绘制而成 13 讨论 a 不同材料拐点不同 不同材料有不同曲线 b 温度不同拐点不同 同一种材料有一簇曲线 c 适用 对弹性失稳 非弹性失稳均适用 用途 计算 14 过程设备设计 15 过程设备设计 16 过程设备设计 17 过程设备设计 三 工程设计方法 图算法设计步骤 18 过程设备设计 1 Do e 20薄壁筒体 a 假设名义厚度 n 令 e n C 算出L Do和Do e b 以L Do Do e值由图4 6查取A值 若L Do值大于50 则用L Do 50查取A值 仅进行稳定性校核 19 过程设备设计 B按式 4 26 计算许用外压 p A在材料线左方时 按式 4 27 计算许用外压 p 4 26 4 27 c 由材料选 厚度计算图 图4 7 图4 9 温度对应的E线在图上没有时 插值 系数A 设计温度 根据 20 图4 10图算法求解过程 21 过程设备设计 d pc p 且较接近 假设的名义厚度 n合理 pc p 假设 n不合理 重设 n 直到满足 比较 22 过程设备设计 求取B值的计算步骤同Do e 20的薄壁筒体 2 Do e 20厚壁筒体 为满足稳定性 厚壁圆筒的许用外压力应不低于式 4 29 的计算值 4 29 进行稳定性 强度两方面校核 为满足强度 厚壁圆筒的许用外压力应不低于式 4 30 的计算值 4 30 防止圆筒体的失稳和强度失效 23 过程设备设计 a 按式 4 28 求A值 3 Do e 4厚壁筒体 4 28 b 然后查B 若有交点 则从图得B值 若无交点 则按下试计算 c 防止圆筒体的失稳和强度失效 24 过程设备设计 解题思路小结 设 n 由L Do Do e 几何算图 A B P cr 厚度计算图 cr 25 过程设备设计 1 假设 n 令 e n C 按式 4 31 计算系数A 四 圆筒体轴向许用压应力的确定 4 31 2 选用相应材料的厚度计算图查取B 此B值即为 cr 若A值落在设计温度下材料线的左方 则表明筒体属于弹性失稳 可直接由式 4 32 计算 4 32 设筒体最大许用压应力 cr B 求系数B步骤如下 26 过程设备设计 27 过程设备设计 定义与内压容器相同 取值方法不同 外压容器设计压力 考虑正常工作情况下可能出现的最大内外压力差 真空容器设计压力 按承受外压考虑 当装有安全控制装置时 如真空泄放阀 设计压力取1 25倍最大内外压力差或0 1MPa两者中的较小值 当无安全控制装置时 取0 1MPa 带夹套容器 考虑可能出现最大压差的危险工况 如内容器突然泄压而夹套内仍有压力时所产生的最大压差 1 设计压力 28 过程设备设计 2 稳定性安全系数 计算公式的可靠性 由于长 短圆筒的临界压力计算公式 是按理想的无初始不圆度求得的 实际上 圆筒在经历成型 焊接或焊后热处理后存在各种原始缺陷 如几何形状和尺寸的偏差 材料性能不均匀性等 都会直接影响临界压力计算值的准确性 受载可能不完全对称 因而根据线性小挠度理论得到的临界压力与试验结果有一定误差 原因 结论 为此 在计算许用设计外压时 必须考虑一定的稳定性安全系数m 29 过程设备设计 GB150规定 圆筒体 m取3 0 球壳 m取14 52 特殊要求 形状偏差 取m 3的同时 如GB150规定 受外压及真空的圆筒体在同一断面一定弦长范围内 实际形状与真正圆形之间的正负偏差不得超过一定值 具体规定可参见文献 1 30 过程设备设计 3 外压计算长度 计算长度 筒体外部或内部两相邻刚性构件之间的最大距离 通常封头 法兰 加强圈等均可视为刚性构件 图4 11为外压计算长度取法示意图 取法 计入直边段 封头曲面深度的三分之一 由于这二种封头与圆筒体对接时 在外压作用下 封头的过渡区产生环向拉应力 因此在过渡区不存在外压失稳问题 所以可将该部位视作圆筒的一个顶端 椭圆形封头 碟形封头 31 过程设备设计 图4 11 32 过程设备设计 六 加强圈的设计计算 将长圆筒转化为短圆筒 可以有效地减小筒体厚度 提高筒体稳定性 即 目的 加强圈设计 加强圈的间距 截面尺寸 结构设计 33 过程设备设计 当圆筒的 e Do已知 且计算外压pc值给定时 可由短圆筒许用外压力计算公式导出加强圈的最大间距 即 1 加强圈的间距 设置加强圈 必须使其属于短圆筒才有实际作用 4 33 结论 加强圈数量增多 Lmax值减小 筒体厚度减薄 反之 筒体厚度须增加 34 过程设备设计 2 加强圈截面尺寸的确定 方法思路 目的 增强筒壁截面的抗弯曲能力 I 保持稳定时加强圈和圆筒体组合段所需的最小惯性矩 Is 加强圈与当量圆筒实际所具有的组合惯性矩 假设 a 加强圈为一受外压圆环 b 每个加强圈承受两侧LS 2范围内的载荷 实际 则外载全部由加强圈承担 校核 满足Is大于并接近I 35 36 保持稳定时加强圈和圆筒体组合段所需的最小惯性矩I 4 38 推导 略 Ls 从加强圈中心线到相临两侧加强圈中心线距离之和的一半 与凸型封头相邻 在长度中还应计入封头曲面深度的1 3 mm As 单个加强圈的截面积mm2 手册查得 A 系数 按下述方法求得 37 A 系数 根据已知的Pc Do和选择的 e Ls 按下式计算当量圆筒周向失稳时的B值 4 39 如果查图时无交点 则 A带入 4 38 式中 就得到I 38 I2 圆筒形壳体对其形心轴 的惯性矩 As 加强圈的截面积 Ac 圆筒有效宽度内的截面积 Ac 2b e b 圆筒有效宽度 b 0 55 a1 加强圈形心轴 至组合截面形心轴 的距离 a2 组合截面形心轴 至圆筒截面形心轴 的距离 加强圈与当量圆筒实际所具有的组合惯性矩Is I0 加强圈对其形心轴 的惯性矩 39 过程设备设计 计算步骤 4 39 b 假设加强圈的个数与间距Ls Ls Lmax d 根据已知的pc Do和选择的 e Ls 按下式计算当量厚度筒体周向失稳时的B值 a 由 4 33 式 算Lmax 选择加强圈尺寸 可按型钢规格 计算或由手册查得As 并计算加强圈与有效筒体实际所具有的组合惯性矩Is 40 过程设备设计 注解 和前面介绍的圆筒体稳定性计算相比 求解A的过程刚好和假定筒体厚度求其许用外压力的过程相反 在加强圈设计时 通常是已知加强圈欲承受的外压力pc 而求解其所需惯性矩 e 按相应材料的厚度计算图 由B值查取A值 若查图时无交点 则按A 计算 f 把查得的A值代入式 4 38 中 求得所需的最小惯性矩I g 比较Is和I 若Is大于并接近I 则满足要求 否则应重新选择加强圈尺寸 重复上述计算 直至满足要求为止 41 过程设备设计 3 加强圈的结构设计 材料 多为碳素钢 筒体为贵重金属 在筒体外部设置碳素钢加强圈 节省贵重金属 4