5章教案外压圆筒与封头化工机械与设备

1、1,第五节 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； 外压在小于一定值时 保持稳定状态； 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,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,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应力为主的复杂应力。 失稳过程是瞬间发生的。,4,外压试验 失稳现象,长圆筒失稳,短圆筒失稳,带加强

2、圈圆筒失稳,失稳后圆筒横截面的变化,5,真实的外压试验,6,5.1.2 容器失稳型式分类,（1）.侧向失稳 载荷侧向外压,变形：横截面由圆型突变为波形,7,（2）.轴向失稳,载荷轴向外压,失稳时经向应力由压应力突变为弯曲应力。 变形：,经线变为波形,8,（3）.局部失稳载荷：局部压力过大,局部范围的壳体壁内的压应力突变为弯曲应力。,9,卧式容器中部失稳（慢放）,支座处失稳（慢放）,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。

3、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。 此时筒壁内存在的压应力称为临界压应力，以cr表示。,11,与材料的弹性模量（E)和泊桑比()有直接关系。,1.筒体材料性能的影响,5.2.2 .影响临界压力的因素,2）临界压力的计算公式,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。,12,2.筒体几何尺寸的影响,Pcr =500水柱,试件1,壁厚为试件（1）的3/5，其他相同 Pcr =300水柱,试件2,试件3,长度为试件（2）的2倍，其他相同 Pcr =120150水柱,试件4,比试件（3）增加一个加强圈，其他相同 Pcr =300水柱,13,结论: 1

4、).比较1和2 ，L/D相同时， /D大者pcr高，； 2).比较3和2 ， /D相同时，L/D小者pcr高； 3).比较3和4， /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 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。 椭圆度e=(Dmax Dmin)/DN,15,5.2.3 长圆筒、短圆筒及刚性圆筒,1.钢制长圆筒 临界压力公式：,从上述公式看，影响长圆筒临界压力的因素如何？ 除了与材料物理性质（E,）有关外，几何方面只与径厚比（ e/DO)有关，与长径比（L/DO)无关。 试验结果证明：

5、长圆筒失稳时的波数为2。,16,2.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与何因素有关？ 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。 试验结果证明：短圆筒失稳时的波数为大于2的整数。,17,3.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,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。 确定临界长度的方法： 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为：,短圆筒与刚性圆筒之间的临界长度Lcr 。 计算长度LLcr时，圆筒为长圆

6、筒； LcrLLcr 为短圆筒； LLcr 时为刚性圆筒。,19,5. 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,5.3.1.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。 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。,21,5.3.2 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/ e 以及材质，设计温度） 确定许用外压力p， 判断计算压力

7、是否满足：,几何条件,稳定条件,22,1）确定几何条件关系,得到如下关系式：,得到“几何条件”关系,23,24,第一步：由几何参数：L/DO和Do/te，确定筒体应变值。作得如下算图1：,思考题：曲线中平行于纵轴的直线部分是什麽圆筒？ 倾斜部分？拐角部分？,算图来源分析：,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：,第三步： 根据B值，确定许用外压。 公式为：,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,对于DO/ e20的圆筒和管子： （1）假设 n,则e=Sn-C,计算L/Do,Do/ e； （2）根据L/Do,Do/ e

8、，查图5-5，确定系数A()；,27,（3）根据系数A,查图5-7图5-14,A值落在材料线的右方，做垂线交材料线一点，查得系数B。,A值落在材料线的左方，垂线交不到材料线上。 用下式计算：,（4）比较pc与p，若满足pcp且接近，则设定的 n有效。否则，重新设定 n，重复上述步骤。,28,5.3.3 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。 试验压力： 液压试验：pT = 1.25p 气压试验：pT = 1.15p 式中 pT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

9、试验前要校核圆筒试验应力。,注意！,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tn，则te= tn -C 确定Ro/ te; 2.求A值：,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：,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,

10、5.5 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：,可知在圆筒的Do、 e是确定的情况下， 减小L值，可提高临界压力 ，从而提高许用操作外压力。 加强圈的作用： 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。,二.加强圈的结构,33,2.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：,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：,加强圈个数： n = ( L / Ls ) - 1,35,加强圈安装在筒体外面：,加强圈

11、安装在筒体内部：,5.5.3 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1 设计常压蒸发干燥器。干燥器内径为500mm，筒身长为3000mm。其外装夹套的内径为600mm，夹套内通以0.6MPa的蒸汽，蒸汽温度为160。材质均选用Q235-B.设计筒身及夹套的壁厚。,【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 n=8m

12、m,则 e=8-2-0.8=5.2mm DO=500+2*8=516mm, L/D0=3000/516=5.8， DO/ e=99。 （2）查图5-5，得A=0.00023 ，查图5-8，B=31MPa 。 （3）p=B e/DO=31/99=0.31pc,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 n=8mm,L/DO=1000/516=1.94,D0/ e=99 (2)查图5-5得A=0.00075,查图5-8得B=95。 (3)p=B e/DO=95/99=0.93 pc 且接近。名义壁厚为8mm,39,40,41,3.水压试验校核:

13、 PT 1=1.25p=1.250.6=0.75MPa,干燥器筒体水压试验合格。,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）,42,2.计算壁厚：,查得C1=0.3mm ,名义壁厚n=4mm（满足最小壁厚要求）。 e=4-1.3=2.7(mm) 3.水压试验校核：,43,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2.5MPa3.0M

14、Pa 。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），=163MPa,2.按外压确定壁厚： （1）设n=20mm,则e=20-1-0.25=18.75(mm),Do=840 mm.,44,（2）L/DO=2000/840=2.4 , DO/e=840/18.75=45 查图5-5，A=0.0017,查图5-9，B=115 (3)P=115/46=2.5(MPa) (4) p=pc ,满足要求。 3.水压试验校核：PT=1.25p=1.252