化工机械基础第十四章.ppt

1、第十四章 外压容器,石油分馏中的减压蒸馏塔 多效蒸发中的真空冷凝器 带有蒸汽加热夹套的反应釜 真空干燥、真空结晶设备等,14.1 概述一、外压容器的稳定性,容器所受外部压力大于内部压力。,外压容器：,石油、化工生产中外压操作，例如：, 外压容器的失效形式： （1）强度不够 （2）稳定性不足及失稳 外压薄壁容器失稳是主要的失效形式。,一、外压容器的稳定性, 失稳的概念 容器强度足够却突然失去了原有的形状，筒壁被压瘪或发生褶绉，筒壁的圆环截面一瞬间变成了曲波形。这种在外压作用下，筒体突然失去原有形状的现象称失稳。 容器发生失稳将使容器不能维持正常操作，造成容器失效。, 侧向失稳 由于均匀侧向外压引

2、起失稳叫侧向失稳。, 容器失稳形式,一、外压容器的稳定性, 轴向失稳 薄壁圆筒承受轴向外压，当载荷 达到某一数值时，也会丧失稳定性。 失稳，仍具有圆环截面，但破坏 了母线的直线性，母线产生了波形， 即圆筒发生了褶绉。 局部失稳 在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的局部外压也可能引起局部失稳。, 容器失稳形式,一、外压容器的稳定性,二、外压容器的临界压力,临界压力：导致容器失稳的最小外压力，Pcr 临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁内的环 向压缩应力，scr 外压低于Pcr，变形在压力卸除后能恢复其原先形状，即发生弹性变形。 外压达到或高于Pcr时，产生的曲波形将是不可能恢复的。,二、

3、外压容器的临界压力, 影响临界压力的因素 临界压力的大小与筒体几何尺寸（e、Do、L）、材质及结构因素有关。,圆筒壳的初始不圆和材料的不均匀，能使外压圆筒的临界压力降低。,GB150对外压圆筒壳体制造时的形状偏差（圆度）要求比内压圆筒更高。,14.2 外压圆筒的稳定性计算,一、外压圆筒的分类 长圆筒：L/Do比较大，刚性封头对筒体中部变形不起有效支撑，最容易失稳压瘪，出现波纹数n=2的扁圆形。 短圆筒：两端封头对筒体变形有约束作用，失稳破坏波数n2，出现三波、四波等的曲形波。 刚性圆筒：若筒体较短，筒壁较厚，即L/D0较小，de/D0较大，容器的刚性好，不会因失稳而破坏，破坏形式为强度破坏。,

4、二、外压圆筒的临界压力计算,Pcr：临界压力， MPa； de ：筒体的有效厚度， mm； D0：筒体的外直径， mm； E：操作温度下圆筒材料的弹性模量， MPa m：材料的泊松比。,（1） 长圆筒,长圆筒的临界压力仅与圆筒的相对厚度de/D0有关，而与圆筒的相对长度L/D0无关,对于钢制圆筒，m=0.3，则,（1） 长圆筒,临界压力下，长圆筒的周向应力为：,（1） 长圆筒,注意：以上所求临界压力必须满足：,（2）短圆筒,短圆筒临界压力与相对厚度de/D0有关， 也随相对长度L/D0变化。 L/D0越大，封头的约束作用越小，临界压力越低。,临界压力下，短圆筒的周向应力为：,（2） 短圆筒,注

5、意：以上所求临界压力必须满足：,（3） 刚性圆筒,即,三 外压圆筒的临界长度,实际外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可根据临界长度Lcr来判定。 当圆筒处于临界长度Lcr时，长圆筒公式计算临界压力Pcr值和短圆筒公式计算临界压力Pcr值应相等,得：,当筒长度LLcr，Pcr按长圆筒 当筒长度LLcr时，Pcr按短圆筒,公式按规则圆形推的，实际圆筒总存在一定的不圆度，公式的使用范围必须要求限制筒体的圆度e。,一、外压容器的设计参数 1、设计压力和液压试验压力 设计压力P： 正常工作过程中可能产生的最大内 外压差 真空容器：有安全装置，取（1.25Pmax，0.1MPa） 中的较小值；无有安全装置，取0

6、.1MPa,14.3 外压容器的工程设计,14.3 外压容器的工程设计,2、试验压力 外压容器依然以内压力进行压力试验，其试验压力为： 液压试验 气压试验,圆筒应力校核,hi/3,hi/3,hi,hi,L,L,L,L,L,L,hi/3,hi,hi/3,3、 外压圆筒 的计算长度,(a),(b),(c),(d),(e),(f),4、稳定安全系数m,主要考虑两个因素： 一个是计算公式的可靠性； 另一个是制造上所能保证的圆度。,GB150的规定m=3,容器的稳定条件为：,二外压圆筒设计,容器的稳定条件为：,(1)先假定一个n，(通常大于或等于强度计算所得的名义厚度)，则e=n-C，并根据工艺条件可知

7、内径和筒体长度，算出筒体的临界长度,1、解析法：,（2）将临界长度与筒体计算长度比较，确定属于长圆筒还是短圆筒，再代入相应计算式计算临界压力。,1、解析法（续）：,（3）求出相应的p,1、解析法（续）：,（4）然后比较p是否大于且接近设计压力p，以判断假设是否合理，若不合理则重新设定n 。,注意：,1、解析法（续）：,以上解析法成立的条件是：,否则，属于非弹性失稳,长、短圆筒临界压力计算式均可纳为,K为特征系数,外压圆筒在临界压力下的周向应力为,2、图算法：,临界应变,令：A=cr,已知cr = A,类似于材料力学中的拉伸、压缩曲线,2、图算法（续）：,临界压力Pcr，稳定性安全系数m，许用外

8、压力p， 故 pcr=mp,2、图算法（续）：,GB150， ASME -1 均取m=3，代入上式得：,2、图算法（续）：,系数B/MPa,系数A=cr,系数B/MPa,系数A=cr,系数A=cr,系数B/MPa,直线部分表示材料处于弹性，属于弹性失稳， B与A成 正比。由A查B时，若与曲线不相交（落在曲线左侧），,，求取B。,可由,2、图算法（续）：,利用算图确定外压圆筒厚度。步骤如下：,D0/e20的外压圆筒及外压管,a.假设n,计算en-C,定出L/D0、D0/de值 b.在图14-3 外压或轴压受压圆筒和管子几何参数计算图中得到系数A； c.根据所用材料，从A-B关系图（图14-4至图

9、14-6）中选用，读出B值，并按下式计算许用外压力p：,2、图算法（续）：,若A落在材料温度线的左方，则,2、图算法（续）：,d. 比较许用外压p与设计外压p 若pp，假设的厚度n可用，若小得过多，可将n适当减小，重复上述计算 若pp，需增大初设的n ，重复上述计算，直至使pp且接近p为止。,2、图算法（续）：,D0/e20的外压圆筒及外压管，步骤如下：,a.假设n,计算en-C,定出L/D0、D0/de值 b.在图14-3 外压或轴压受压圆筒和管子几何参数计算图中得到系数A； c.根据所用材料，从A-B关系图（图14-4至图14-6）中选用，读出B值。 若D0/e4,2、图算法（续）：,为了

10、满足稳定性：,2、图算法（续）：,d. 比较许用外压p与设计外压p 若pp，假设的厚度n可用，若小得过多，可将n适当减小，重复上述计算 若pp，需增大初设的n ，重复上述计算，直至使pp且接近p为止。,2、图算法（续）：,例14-1：某圆筒形容器,其内径2400mm，长度为14000mm，两端为标准椭圆形封头，直边高度50mm，材料为0Cr18Ni9，最高工作温度480，真空下操作，无安全控制装置，介质的腐蚀性极微。求筒体厚度。,解：设计压力为p=0.1MPa 计算长度,钢板名义厚度20mm 钢板负偏差均为0.8mm 钢板的腐蚀裕量取0mm 有效厚度为19.2mm。,查图14-3得A=0.00

11、013。查图14-6，A值点落在材料温度线的左方，故,0Cr18Ni9板在480时，E=1.54105MPa,p0.1MPa，所以n=20适用。,三、外压球壳设计,推导过程：钢制球形壳体弹性失稳的临界压力为：,工程上：图算法。,取稳定性安全系数m=14.52，得球壳许用外压力：,令,根据,得,将p代入式得,由B和p的关系式得半球形封头的许用外压力为：,a.假定名义厚度n，令e=n-C，用式计算出A，根据所用材料选用厚度计算图，由A查取B，再按式计算许用外压力p。,图算步骤：,b.若A值落在设计温度下材料线左方，用式 计算p。,不用几何算图,若pp且较接近，则该封头厚度合 理；否则重新假设n，重复上述步骤，直到满足要求 为止。,四、外压封头设计,外压封头包括：半球形封头、椭圆形封头、蝶形封头、 球冠形封头和锥形封头等。,（1）半球形封头,受外压的半球形封头厚度计算、与受外压球壳的计算步骤相同。,四、外压封头设计,（2）椭圆形封头,受外压的椭圆形封头厚度计算、与受外压球壳的计算步骤相同，其中Ro为椭圆形封头的当量球壳外半径， Ro=K1Do。标准椭圆封头K1=0.9。,四、外压封头设计,（3）碟形封头,受外压的碟形封头厚度计算、与受外压球壳的计算步骤相同，其中Ro为碟形封头的球面部分外半径，,（4）球冠形封头,受外压的球冠形封头