外压容器之圆筒及封头的设计

1、1 第五章第五章 外压容器之圆筒及封头的设计外压容器之圆筒及封头的设计 5.1 概述 5.1.1.外压容器的失稳 均匀外压容器壁 内产生压应力压应力； 外压在小于一定值时 保持稳定稳定状态； 外压达到一定值时， 容器就失去原有稳定性突 然瘪塌，变形不能恢复。 失稳失稳 2 回忆压杆失稳过程中应力的变化： 压力小于一定值时，卸掉载荷，压杆恢复原形。 压力达到一定值时，压杆突然弯曲变形，变形不 能恢复。 失稳是瞬间发生的，压应力突然变为弯曲应力。 3 外压容器失稳的过程外压容器失稳的过程 失稳前，壳壁内存在有压应力， 外压卸掉后变形完全恢复； 失稳后，壳壁内产生了以弯曲以弯曲 应力为主的复杂应力。

2、应力为主的复杂应力。 失稳过程是瞬间发生瞬间发生的。 4 5 6 5.1.2 容器失稳型式分类容器失稳型式分类 （1）.侧向失稳侧向失稳 载荷侧向外压侧向外压 变形：横截面由圆型突变为波形波形 7 （2）.轴向失稳轴向失稳 载荷轴向外压 失稳时经向应力由压应力突变失稳时经向应力由压应力突变 为弯曲应力为弯曲应力。 变形： 8 （3）.局部失稳局部失稳 载荷：局部压力过大 局部范围的壳体壁内的压局部范围的壳体壁内的压 应力突变为弯曲应力。应力突变为弯曲应力。 9 局部失稳：局部失稳： 10 5.2 临界压力 5.2.1 .临界压力概念（pcr) 当外压低于临界压力（p pcr)时, 压缩变形可以

3、恢复； 当外压等于临界压力（ p= pcr）时，壁内压缩应力和变 形发生突变，变形不能恢复。 导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力。导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力。 筒体抵抗失稳的能力。筒体抵抗失稳的能力。 此时筒壁内存在的压应力称为临界压应力，以此时筒壁内存在的压应力称为临界压应力，以cr表示。表示。 11 与材料的弹性模量（与材料的弹性模量（E)E)和泊桑比和泊桑比()() 有直接关系有直接关系。 1.筒体材料性能的影响筒体材料性能的影响 5.2.2 .影响临界压力的因素影响临界压力的因素 o o e t cr D L D S Ep 5 .2 )( 59.2 2）临界压力的计算公

4、式 1）筒体失稳时壁内应力远小于材料屈服点 与材料的强度没有直接关系与材料的强度没有直接关系。 12 2.筒体几何尺寸的影响筒体几何尺寸的影响 Pcr =500水柱 壁厚为试件（1）的3/5，其他相同 Pcr =300水柱 长度为试件（2）的2倍，其他相同 Pcr =120150水柱 比试件（3）增加一个加强圈，其他相同 Pcr =300水柱 13 序 号 筒径 D mm 筒长 L mm 有无 加强圈 壁厚 S mm 临界压力 pcr mm水柱 1 2 3 4 90 90 90 90 175 175 350 350 无 无 无 有 0.51 0.3 0.3 0.3 500 300 120150

5、 300 结论: 1).比较1和2 ，L/D相同时，S/D大者pcr高，； 2).比较3和2 ，S/D相同时，L/D小者pcr高； 3).比较3和4，S/D,L/D相同时，有加强圈者pcr高. 14 3.圆筒的椭圆度和材料不均匀性的影响圆筒的椭圆度和材料不均匀性的影响 筒体失稳不是因为它存在椭圆度或材料不 均匀而引起的。但是，筒体存在椭圆度或材 料不均匀，会使其失稳提前发生失稳提前发生。 椭圆度e=(Dmax Dmin)/DN 15 5.2.3 长圆筒、短圆筒及刚性圆筒长圆筒、短圆筒及刚性圆筒 1.钢制长圆筒钢制长圆筒 临界压力公式： 3 cr 3 2 )(2 . 2p 0.3 )( 1 2

6、o et O e t cr D S E D SE p 则上式成为钢制圆筒 从上述公式看，影响长圆筒临界压力的因素如从上述公式看，影响长圆筒临界压力的因素如 何？何？ 除了与材料物理性质（除了与材料物理性质（E,）有关外，几何方）有关外，几何方 面只与径厚比（面只与径厚比（Se/DO)有关，与长径比（有关，与长径比（L/DO) 无关。无关。 试验结果证明：长圆筒失稳时的波数为长圆筒失稳时的波数为2。 16 o o e t cr D L D S Ep 5 .2 )( 59.2 2.钢制短圆筒钢制短圆筒 临界压力公式： L为计算长度 从公式看，短圆筒临界压力大小从公式看，短圆筒临界压力大小 与何因素

7、有关？与何因素有关？ 除了与材料物理性质有关外，除了与材料物理性质有关外， 与圆筒的厚径比和长径比均有关。与圆筒的厚径比和长径比均有关。 试验结果证明：短圆筒失稳时短圆筒失稳时 的波数为大于的波数为大于2的整数。的整数。 17 3.刚性圆筒刚性圆筒 刚性圆筒不会因失稳而破坏。 破坏形式是强度破坏，即压缩应力破坏形式是强度破坏，即压缩应力 4/ 2 t s t t ei t e W SD S p 压 压 压 取 用压应力材料在设计温度下的许 s 许用外压力计算公式为： 18 4 .临界长度 介于长圆筒与短圆筒之间，介于短圆筒与刚性圆 筒之间的长度均称为临界长度临界长度。 确定临界长度的方法： 由

8、长圆筒的临界压力等于短圆筒的临界压力由长圆筒的临界压力等于短圆筒的临界压力 长圆筒与短圆筒之间的临界长度临界长度为： e o ocr S D DL17.1 短圆筒与刚性圆筒之间的临界长度临界长度Lcr 。 计算长度计算长度L LL Lcrcr时，圆筒为长圆筒；时，圆筒为长圆筒； LLcrcrL LL Lcrcr 为短圆筒；为短圆筒； L LLLcrcr 时为刚性圆筒时为刚性圆筒。 19 5. 计算长度的确定计算长度的确定 （1）有加强圈的筒体取相邻两加强圈的间距。 （2）与凸形封头相连的筒体，计算长度计入封头 内高度的1/3。 20 5.3 外压圆筒的工程设计外压圆筒的工程设计 5.3.1.设

9、计准则设计准则 设计时必须保证计算压力满足下式： 式中m稳定安全系数稳定安全系数。 圆筒、锥壳取3.0； 球壳、椭圆形及碟形封头取15。 m的大小取决于形状的准确性（加工精度） 、载 荷的对称性、材料的均匀性等等。 m p pp cr c 21 5.3.2 外压圆筒壁厚设计的图算法外压圆筒壁厚设计的图算法 1.算图的由来 思路：由已知条件（几何条件：L/Do,Do/Se 以及材质，设计温度） 确定许用外压力p， 判断计算压力是否满足： ppc 几何条件 稳定条件 22 3 2 )( 1 2 O e t cr D SE p o o e t cr D L D S Ep 5 . 2 )( 59. 2

10、 1）确定几何条件关系几何条件关系 0 5 .1 0 3 .1 0 1 .1 2 D L D e S D e S 短圆筒 长圆筒 得到如下关系式： e cr S DP cr2 0 t cr E 得到得到“几何条件几何条件”关系关系 23 o et o et t e o t e ocr t cr D S Bp E D S E m p ES Dpm pm ES Dp E p m 2 B ) 2 ( 2 p m p p 2 ).2 cr cr 则令 则 ，已知 关系确定 24 第一步：由几何参数：L/DO和Do/Se，确定筒体应变值。 作得如下算图算图1： 思考题思考题：曲线中平行于纵轴的直线部分是

11、什麽圆筒？ 倾斜部分？拐角部分？ 0 5 .1 0 3 .1 0 1 .1 2 D L D e S D e S 短圆筒 长圆筒 25 第二步：由应变值，根据 不同的材料及不同的设计温 度，确定B值。公式为： E t m 2 B o e D S Bp 第三步： 根据B值，确定许用外压。 公式为： 注意！注意！ 弹性模量E随材料 及其温度而变化。 26 2.外压圆筒和管子厚度的图算法外压圆筒和管子厚度的图算法 对于DO/Se20的圆筒和管子： （1）假设Sn,则Se=Sn-C,计算L/Do,Do/Se； （2）根据L/Do,Do/Se，查图5-5，确定系数A()； 27 （3）根据系数）根据系数A

12、,查图查图5-7图图5-14 (MPa) S D B p e o A值落在材料线的右方，值落在材料线的右方， 做垂线交材料线一点做垂线交材料线一点，查查 得系数得系数B。 A值落在材料线的左方，值落在材料线的左方， 垂线交不到材料线上。垂线交不到材料线上。 用下式计算用下式计算： (MPa) S D AE p e o t 3 2 （4）比较）比较pc与与p，若满足，若满足pcp且接近，则设定的且接近，则设定的Sn 有效。否则，重新设定有效。否则，重新设定Sn，重复上述步骤。，重复上述步骤。 28 5.3.3 外压容器的压力试验外压容器的压力试验 外压容器和真空容器以内压进行试压。外压容器和真空

13、容器以内压进行试压。 试验压力： 液压试验：pT = 1.25p 气压试验：pT = 1.15p 式中 pT T试验压力，MPa； p设计压力，MPa。 1.由两个或两个以上压力室组成的容器， 在图纸上要分别注明试验压力，并校核 相邻壳壁在试验压力下的稳定性； 2.压力试验前要校核圆筒试验应力。 29 5.4 外压球壳与凸形封头的设计 5.4.1 外压球壳和球形封头的设计 设计步骤： 1.假设Sn，则Se=Sn-C 确定Ro/Se; 2.求A值： SeRo A / 125. 0 3.查材料线确定B值 若A值落在材料线右侧，许用 外压力为： 2 0 / 0833. 0 e t SR E P e

14、SR B P / 0 若A值落在线左侧，用公式计算： 4.比较，若PcP,须重新假设 Sn，直到P大于并接近Pc。 30 5.4.2 凸面受压封头设计 球冠形封头、椭圆形封头、蝶形封头计算步 骤与外压球壳和球形封头一致。 注意： 1.计算方法； 2.半径取值 球冠形封头取球面内半径； 椭圆封头取当量球壳外半径； 蝶形封头取球面部分外半径。 祥见教材表5-2。 31 5.5 外压圆筒加强圈的设计外压圆筒加强圈的设计 5.5.1 加强圈的作用与结构 一.加强圈的作用 由短圆筒的临界压力公式： o oe t cr DL DS Ep 5 . 2 )( 59. 2 可知在圆筒的Do、Se是确定的情况下，

15、 减减 小小L值，可提高临界压力值，可提高临界压力 ，从而提高许用操作 外压力。 加强圈的加强圈的作用：作用： 缩短圆筒计算长度，提高圆筒刚度。缩短圆筒计算长度，提高圆筒刚度。 32 1.加强圈的抵抗外压能力抗弯能力 有抵抗能力的部分： 加强圈和圆筒有效段加强圈和圆筒有效段。 二二.加强圈的结构加强圈的结构 33 2.加强圈的结构形式加强圈的结构形式 34 5.5.2 加强圈的间距 由钢制短圆筒临界压力公式： 0 5 . 2 0 )( 59. 2 D L D S Ep s e t cr 式中 Ls作为加强圈间距 mm 当D0和Se已定，所需加强圈最大间距为： 5 . 2 0 0 86. 0 D

16、 Se p D ELs t 加强圈个数： n = ( L / Ls ) - 1 35 加强圈安装在筒体外面： 加强圈安装在筒体内部： 5.5.3 加强圈与筒体的连接加强圈与筒体的连接 36 加强圈与筒体的连接 间断焊 见GB150规定。 37 例题例题1 1 设计常压蒸发干燥器。干燥器内径为设计常压蒸发干燥器。干燥器内径为 500mm500mm，筒身长为，筒身长为3000mm3000mm。其外装夹套的内径为。其外装夹套的内径为 600mm600mm，夹套内通以，夹套内通以0.6MPa0.6MPa的蒸汽，蒸汽温度为的蒸汽，蒸汽温度为 160160。材质均选用。材质均选用Q235-C.Q235-C

17、.设计筒身及夹套的壁设计筒身及夹套的壁 厚。厚。 【解】一.设计干燥器筒身。 1.设计参数：Di=500mm, L=3000mm, pc=0.6-0=0.6MPa, C2=2mm （双面腐蚀），=0.8（单面 带垫板对接焊，局部无损检 验）。=113MPa, 160=105MPa ，s=235MPa 。 38 2.设计壁厚：（1）.设Sn=8mm,则Se=8-2-0.8=5.2mm DO=500+2*8=516mm, L/D0=3000/516=5.8， DO/Se=99。 （2）查图5-5，得A=0.00019 ，查图5-8，B=25MPa 。 （3）p=BSe/DO=25/99=0.25p

18、c 稳定性不够，采取加加强圈方法。设 置两个加强圈，则L=3000/3=1000mm . (1)设壁厚 Sn=8mm,L/DO=1000/516=1.94,D0/Se=99 (2)查图5-5得A=0.00065,查图5-8得B=92。 (3)p=BSe/DO=92/99=0.91 pc 且接近。 名义壁厚为8mm 39 3.水压试验校核: PT 1=1.25p=1.250.6=0.75MPa sT s e eiT T 0.9 (MPa) 0.9 (MPa) S SDp 2 .1698 . 02359 . 0 4 .36 2 . 52 )2 . 5500(75. 0 2 )( 1 干燥器筒体水压

19、试验合格。 二.蒸汽夹套壁厚设计（内压容器）： 1.设计参数：pc=0.6MPa, Di=600mm,C2=1mm, =0.8(单面带垫板对接焊，局部无损检测） 40 2.计算壁厚： mm) C p Dp S c t ic d (15. 31 6 . 08 . 01052 6006 . 0 2 2 查得C1=0.3mm ,名义壁厚Sn=4mm（满足最小壁厚要求满足最小壁厚要求）。 Se=4-1.3=2.7(mm) 3.水压试验校核： 不会失稳。夹套在水压试验时筒体夹套水压试验合格。, 9 . 0 )(2 .1698 . 02359 . 09 . 0 )(4 .90 7 . 22 )7 . 26

20、00(81. 0 2 )( )(81. 0 105 113 6 . 025. 1 25. 1 2 2 pp MPa MPa S SDp MPa pp T ST S e eiT T t T 41 例题2。设计氧化塔。塔体外设置内径为1米的夹套，材质 为16MnR(GB6654-96),通以2.5MPa的蒸汽加热塔内物料。 塔体内径为800mm,塔段计算长度为2米,最高工作温度为 250,塔内操作压力为2.5MPa3.0MPa 。塔体材料为 16MnR,内加衬里。塔体顶部安装安全阀。确定塔体及夹套 的壁厚。 【解】一.塔体壁厚设计。 1.参数： Di=800mm,L=2000mm, t=250,C2=1mm(外壁）, 最高内压Pic=31.1=3.3(MPa) ， 最高外压POC=2.5(MPa) , =0.8(带垫板单面对接焊，局部无损检验），=170MPa, MPa MPa, s t 345156 2.按外压确定壁厚： （1）设Sn=20mm,则Se=20-1-0.25=18.75(mm),Do=840 mm. 42 （2）L/DO=2000/840=2.4 , DO/Se=840/18.75=45 查图5-5，A=0.0017,查图5-9，B=115 (3