項目二四化工設備設計計算

1、1 12 23 3第一節(jié)第一節(jié) 外壓容器的穩(wěn)定性外壓容器的穩(wěn)定性一、外壓容器的失效形式一、外壓容器的失效形式 基本概念基本概念 外壓容器：外壓容器：容器外部壓力大于內(nèi)部壓力容器外部壓力大于內(nèi)部壓力。 失效：失效：容器失去了正常的工作能力容器失去了正常的工作能力。 外壓容器的失效形式外壓容器的失效形式 外壓容器的失效一是外壓容器的失效一是強度不夠強度不夠，二是，二是穩(wěn)定性不足穩(wěn)定性不足。 外壓薄壁容器失穩(wěn)是主要的失效形式。外壓薄壁容器失穩(wěn)是主要的失效形式。 二、外壓容器的失穩(wěn)過程及臨界壓力的概念二、外壓容器的失穩(wěn)過程及臨界壓力的概念 失穩(wěn)的概念失穩(wěn)的概念 容器強度足夠卻突然失去了原有的形狀，筒壁

2、被壓癟容器強度足夠卻突然失去了原有的形狀，筒壁被壓癟或發(fā)生褶縐，筒壁的圓環(huán)截面一瞬間變成了曲波形。這或發(fā)生褶縐，筒壁的圓環(huán)截面一瞬間變成了曲波形。這種在外壓作用下，筒體突然失去原有形狀的現(xiàn)象稱彈性種在外壓作用下，筒體突然失去原有形狀的現(xiàn)象稱彈性失穩(wěn)。失穩(wěn)。 容器發(fā)生彈性失穩(wěn)將使容器不能維持正常操作，造容器發(fā)生彈性失穩(wěn)將使容器不能維持正常操作，造成容器失效。成容器失效。 容器失穩(wěn)形式容器失穩(wěn)形式 側(cè)向失穩(wěn)側(cè)向失穩(wěn) 由于均勻側(cè)向外壓引起失穩(wěn)叫側(cè)向失穩(wěn)。由于均勻側(cè)向外壓引起失穩(wěn)叫側(cè)向失穩(wěn)。 軸向失穩(wěn)軸向失穩(wěn) 薄壁圓筒承受軸向外壓，當載荷薄壁圓筒承受軸向外壓，當載荷達到某一數(shù)值時，也會喪失穩(wěn)定性。達到

3、某一數(shù)值時，也會喪失穩(wěn)定性。 失穩(wěn)，仍具有圓環(huán)截面，但破壞失穩(wěn)，仍具有圓環(huán)截面，但破壞了母線的直線性，母線產(chǎn)生了波形，了母線的直線性，母線產(chǎn)生了波形，即圓筒發(fā)生了褶縐。即圓筒發(fā)生了褶縐。 局部失穩(wěn)局部失穩(wěn) 在支座或其他支承處以及在安裝運輸中由于過大的局在支座或其他支承處以及在安裝運輸中由于過大的局部外壓也可能引起局部失穩(wěn)。部外壓也可能引起局部失穩(wěn)。 臨界壓力的概念臨界壓力的概念 臨界壓力是導致容器失穩(wěn)的最小外壓力。臨界壓力是導致容器失穩(wěn)的最小外壓力。三、臨界壓力的計算三、臨界壓力的計算 影響臨界壓力的因素影響臨界壓力的因素 臨界壓力的大小與筒體幾何尺寸、材質(zhì)及結(jié)構(gòu)因素有臨界壓力的大小與筒體幾何

4、尺寸、材質(zhì)及結(jié)構(gòu)因素有關關。 外壓圓筒形容器的分類：外壓圓筒形容器的分類： 按失穩(wěn)情形式將外壓圓筒分為三類：按失穩(wěn)情形式將外壓圓筒分為三類： 長圓筒、短圓筒、剛性圓筒長圓筒、短圓筒、剛性圓筒 臨界壓力的計算臨界壓力的計算 長圓筒長圓筒 短圓筒短圓筒 應用以上兩式應滿足兩個條件：應用以上兩式應滿足兩個條件： 臨界應力臨界應力 圓筒的圓度應符合圓筒的圓度應符合GB150GB150的規(guī)定。的規(guī)定。3)(2 . 2oecrDEpooecrDLDEp/)/(59. 25 . 2tSeocrcrDp2 剛性圓筒剛性圓筒 四、外壓圓筒類型的判定四、外壓圓筒類型的判定 臨界長度計算臨界長度計算 臨界長度臨界長

5、度 區(qū)分不同類型圓筒的特征長度。區(qū)分不同類型圓筒的特征長度。 臨界長度的計算臨界長度的計算 區(qū)分長圓筒和短圓筒的臨界長度區(qū)分長圓筒和短圓筒的臨界長度L Lcrcr otseDp2maxeoocrDDL17. 1 區(qū)分短圓筒和剛性圓筒的臨界長度區(qū)分短圓筒和剛性圓筒的臨界長度L Lcrcr 計算長度確定計算長度確定 計算長度計算長度 計算長度是指圓筒上相鄰兩剛性構(gòu)件（如封頭、加強計算長度是指圓筒上相鄰兩剛性構(gòu)件（如封頭、加強圈等）的距離。圈等）的距離。 對具有凸形封頭無加強圈的圓筒其計算長度對具有凸形封頭無加強圈的圓筒其計算長度L L= =圓筒長圓筒長度度+ +兩封頭直邊高度兩封頭直邊高度+ +兩

6、封頭曲面深度的兩封頭曲面深度的1/31/3 。 eotsecrDEL3 . 1 外壓圓筒外壓圓筒 計算長度計算長度 圓筒類型的判定圓筒類型的判定 當當L LL Lcrcr時，為長圓筒；時，為長圓筒； 當當L LL Lcrcr時，剛性圓筒；時，剛性圓筒； 當當L LcrcrL LL Lcrcr時，為短圓筒。時，為短圓筒。 第二節(jié)第二節(jié) 外壓薄壁容器壁厚確定外壓薄壁容器壁厚確定 一、設計參數(shù)一、設計參數(shù) 設計外壓力設計外壓力 對真空容器當在容器上裝有安全閥時，設計外壓力取對真空容器當在容器上裝有安全閥時，設計外壓力取1.251.25倍的最大外、內(nèi)壓力差與倍的最大外、內(nèi)壓力差與0.1MPa0.1MP

7、a二者中的小值；當二者中的小值；當容器未裝有安全閥時，設計外壓力取容器未裝有安全閥時，設計外壓力取0.1MPa0.1MPa。 試驗壓力試驗壓力 外壓容器依然以內(nèi)壓力進行壓力試驗，其試驗壓力為：外壓容器依然以內(nèi)壓力進行壓力試驗，其試驗壓力為： 液壓試驗液壓試驗 氣壓試驗氣壓試驗 ppT25. 1ppT15. 1二、外壓薄壁容器不失穩(wěn)的條件二、外壓薄壁容器不失穩(wěn)的條件 容器的穩(wěn)定條件為：容器的穩(wěn)定條件為： 式中式中 計算外壓力，計算外壓力，MPaMPa p p 許用外壓力，許用外壓力，MPaMPa. . ppcmppcrcp三、圓筒壁厚確定的解析法三、圓筒壁厚確定的解析法 圓筒的厚度表達式圓筒的厚

8、度表達式 長圓筒長圓筒 短圓筒短圓筒 壁厚確定的步驟壁厚確定的步驟 確定、確定、p pc c、t t、C C、E E、L L、等相關參數(shù)；、等相關參數(shù)； 假設圓筒的名義厚度假設圓筒的名義厚度 ，得，得 ； EpDcoe2 . 234 . 059. 23ocoeEDLpDnCne 計算臨界長度計算臨界長度 、 并與并與 比較，確定圓筒的類型；比較，確定圓筒的類型； 計算計算 、 p p 、 比較：比較： 若若 、且、且 ，則以上假設的滿足要求；若，則以上假設的滿足要求；若 ，則重新假設另一較大的，則重新假設另一較大的 ，重復以上各步、直至，重復以上各步、直至滿足要求為止；若滿足要求為止；若 、但

9、、但 ，則改用圖算法。，則改用圖算法。 校核壓力試驗時圓筒的強度校核壓力試驗時圓筒的強度。 crLcrLLcrpcrcpp tscrpcpncpp crts四、圓筒壁厚確定的圖算法四、圓筒壁厚確定的圖算法 圖解法的依據(jù)圖解法的依據(jù) 圖算法的基礎是解析法，將解析法的相關公式經(jīng)過分析整理，繪圖算法的基礎是解析法，將解析法的相關公式經(jīng)過分析整理，繪制成兩張圖。一張圖反映圓筒受外壓力后，變形與幾何尺寸之間的制成兩張圖。一張圖反映圓筒受外壓力后，變形與幾何尺寸之間的關系，稱為幾何參數(shù)計算圖，另一張圖反映不同材質(zhì)的圓筒在不同關系，稱為幾何參數(shù)計算圖，另一張圖反映不同材質(zhì)的圓筒在不同溫度下，所受外壓力與變形

10、之間關系的圖，稱為厚度計算圖，此圖溫度下，所受外壓力與變形之間關系的圖，稱為厚度計算圖，此圖不同的材料有不同的圖。不同的材料有不同的圖。 圖算法的步驟圖算法的步驟 利用圖算法設計不同類型的圓筒其過程也有所不同，利用圖算法設計不同類型的圓筒其過程也有所不同，現(xiàn)以現(xiàn)以2020的圓筒為例說明的圓筒為例說明 確定、確定、p pc c、t t、C C、E E、L L、 、 等相關參數(shù)；等相關參數(shù)； 假設圓筒的名義厚度假設圓筒的名義厚度 ，得，得 計算計算 的值的值； 在幾何參數(shù)計算圖上，由在幾何參數(shù)計算圖上，由L L/ /D Do o和和D Do/o/e e在橫坐標上找在橫坐標上找到系數(shù)到系數(shù)A A值，

11、若值，若L L/ /D DO O大于大于5050、用、用L L/ /D DO=50O=50查圖，若查圖，若L L/ /D DO O小小于于0.050.05，用，用L L/ /D DO=0.05O=0.05查圖查圖； 根據(jù)圓筒所用材料選厚度計算圖，在此圖上由第（根據(jù)圓筒所用材料選厚度計算圖，在此圖上由第（4 4）步所得步所得A A值和設計溫度值和設計溫度t t在縱坐標上找到系數(shù)在縱坐標上找到系數(shù)B B值，并按下值，并按下式計算許用外壓力式計算許用外壓力 p p,即即TpsnCnenioDD2eooDDL,oeDBp 若若A A值落在設計溫度下材料線的左方，則直接用下式值落在設計溫度下材料線的左方

12、，則直接用下式計算許用外壓力計算許用外壓力 p p,即即 比較比較 若若 p pp pc c, ,則以上假設的則以上假設的 滿足要求滿足要求, ,否則重新假否則重新假設另一較大的設另一較大的 ，重復以上各步、直至滿足要求為止。，重復以上各步、直至滿足要求為止。 校核壓力試驗時圓筒的強度校核壓力試驗時圓筒的強度 。oeDEAp32nn五、外壓封頭壁厚確定的圖算法五、外壓封頭壁厚確定的圖算法 受外壓力的凸形封頭（半球形、橢圓形、碟形），利受外壓力的凸形封頭（半球形、橢圓形、碟形），利用圖算法按如下步驟確定壁厚。用圖算法按如下步驟確定壁厚。 假設封頭的名義厚度假設封頭的名義厚度 ，得，得 計算計算

13、的值的值 對半球形封頭對半球形封頭 ，R Ri i 為半球形內(nèi)半徑；為半球形內(nèi)半徑； 對橢圓形對橢圓形R RO=O=K K1 1DoDo，K K1 1按表按表3-13-1查??；查??； 對碟形封頭對碟形封頭R Ro o= =球面部分內(nèi)半徑。球面部分內(nèi)半徑。 nCneeoRnioRR 計算臨界應變計算臨界應變A A值值 根據(jù)圓筒所用材料選厚度計算圖，在此圖上由第（根據(jù)圓筒所用材料選厚度計算圖，在此圖上由第（3 3）步所得步所得A A值和設計溫度值和設計溫度t t在縱坐標上找到系數(shù)在縱坐標上找到系數(shù)B B值，并按下值，并按下式計算許用外壓力式計算許用外壓力 p p,即即 若若A A值落在設計溫度下材

14、料線的左方，則直接用下式值落在設計溫度下材料線的左方，則直接用下式計算許用外壓力計算許用外壓力 p p,即即oeRA125. 0oeRBp2)(0833. 0oeREp 比較：比較： 若若 p pp pc c, ,則以上假設的滿足要求則以上假設的滿足要求, ,否則重新假設另否則重新假設另一較大的，重復以上各步、直至滿足要求為止。一較大的，重復以上各步、直至滿足要求為止。 對于承受外壓力的錐形殼體，當半頂角對于承受外壓力的錐形殼體，當半頂角6060o o時，時，按平封頭計算；當按平封頭計算；當6060o o時，因錐殼與圓筒連接處存在時，因錐殼與圓筒連接處存在變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的邊緣應力，所以在連接

15、處附近圓筒變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的邊緣應力，所以在連接處附近圓筒和錐殼都要有足夠的剛度，保證其在外壓力作用下不會和錐殼都要有足夠的剛度，保證其在外壓力作用下不會失穩(wěn)。具體計算方法可參見失穩(wěn)。具體計算方法可參見GB150GB150。 第三節(jié)第三節(jié) 外壓薄壁圓筒的加強圈外壓薄壁圓筒的加強圈一、加強圈的作用、結(jié)構(gòu)及要求一、加強圈的作用、結(jié)構(gòu)及要求 加強圈的結(jié)構(gòu)加強圈的結(jié)構(gòu) 加強圈是焊接在圓筒外側(cè)或內(nèi)側(cè)、且具有足夠剛性的加強圈是焊接在圓筒外側(cè)或內(nèi)側(cè)、且具有足夠剛性的圓環(huán)狀構(gòu)件圓環(huán)狀構(gòu)件。其截面形狀有矩形、。其截面形狀有矩形、L L形、形、T T形、形、U U字形、工字形、工字形等。常用型鋼制作，如扁鋼、角鋼

16、、槽鋼、工字鋼字形等。常用型鋼制作，如扁鋼、角鋼、槽鋼、工字鋼等。等。 對加強圈的要求對加強圈的要求 加強圈本身應具有足夠的剛度，在外壓力作用下不會加強圈本身應具有足夠的剛度，在外壓力作用下不會失穩(wěn)，才能對圓筒起到加強作用。失穩(wěn)，才能對圓筒起到加強作用。 加強圈的作用加強圈的作用 在壁厚一定時、設置加強圈可以減小計算長度，提高在壁厚一定時、設置加強圈可以減小計算長度，提高臨界壓力，也就是提高了圓筒的承載能力；在承載要求臨界壓力，也就是提高了圓筒的承載能力；在承載要求一定時，設置加強圈減小了計算長度，進而可減小圓筒一定時，設置加強圈減小了計算長度，進而可減小圓筒的壁厚、節(jié)省材料的壁厚、節(jié)省材料。

17、二、加強圈的間距二、加強圈的間距 當圓筒的壁厚確定以后，加強圈之間的最大間距可按當圓筒的壁厚確定以后，加強圈之間的最大間距可按下式計算：下式計算：5 . 2max)(6 . 2oecoDmpEDL 在圓筒上設置多少加強圈合適，沒有確切的定論。加在圓筒上設置多少加強圈合適，沒有確切的定論。加強圈多、間距小，節(jié)省筒體材料；但若加強圈太多，則強圈多、間距小，節(jié)省筒體材料；但若加強圈太多，則自身耗材也多、制造費用也高。最佳方案是圓筒材料和自身耗材也多、制造費用也高。最佳方案是圓筒材料和制造費用與加強圈材料和制造費用之和為最小，但工程制造費用與加強圈材料和制造費用之和為最小，但工程實際很難實現(xiàn)。根據(jù)經(jīng)驗

18、一般認為每隔實際很難實現(xiàn)。根據(jù)經(jīng)驗一般認為每隔1 12m2m設置一個加設置一個加強圈為宜。強圈為宜。三、加強圈的圖算法三、加強圈的圖算法 加強圈的穩(wěn)定條件加強圈的穩(wěn)定條件 加強圈組合截面實際具有的慣性矩加強圈組合截面實際具有的慣性矩IsIs保持加強圈不保持加強圈不失穩(wěn)所需要的組合截面慣性矩失穩(wěn)所需要的組合截面慣性矩I I。 保持加強圈穩(wěn)定所需要的組合截面慣性矩保持加強圈穩(wěn)定所需要的組合截面慣性矩I I 計算計算 根據(jù)加強圈所用材料，在所選的外壓容器厚度計算圖根據(jù)加強圈所用材料，在所選的外壓容器厚度計算圖上，由以上所計算出的上，由以上所計算出的B B值和設計溫度在橫坐標上找到系值和設計溫度在橫坐

19、標上找到系數(shù)數(shù)A A值；若圖中無交點無法得到值；若圖中無交點無法得到A A值，則可直接用下式計值，則可直接用下式計算：算： 計算計算 sseocLADpBEBA5 . 1ALALDIsseso9 .10)(2 組合截面實際具有的截面慣性矩組合截面實際具有的截面慣性矩I Is s 對如圖示加強圈的截面尺寸，則組合截面實際具有的對如圖示加強圈的截面尺寸，則組合截面實際具有的截面慣性矩按下式計算。截面慣性矩按下式計算。222211aAIdAIIs分課題五 厚壁容器 特點： 厚壁容器是三向應力狀態(tài)，三個應力中環(huán)向應力最大。 環(huán)向應力的分布又以內(nèi)壁應力最大，而且除經(jīng)(軸)向應力，其余兩個應力沿壁厚非均勻分布，并隨著徑比值K的增大，不均勻程度