过程设备设计第四章

.,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/DoDo/eA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=mp,（2）厚度计算图（不同材料）：BA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4-74-9,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/e20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.,pcp且较接近假设的名义厚度n合理,pcp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/e20的薄壁筒体；,2、Do/e20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/e4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m3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=2be,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(LsLmax),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