外壓圓筒設(shè)計(jì)

外壓圓筒設(shè)計(jì)第1頁/共56頁一、外壓容器失穩(wěn)外壓容器：容器外部壓力大于內(nèi)部壓力。石油、化工生產(chǎn)中外壓操作，例如：石油分餾中的減壓蒸餾塔、多效蒸發(fā)中的真空冷凝器、帶有蒸汽加熱夾套的反應(yīng)釜真空干燥、真空結(jié)晶設(shè)備等。第2頁/共56頁失穩(wěn)的概念：容器外壓與受內(nèi)壓一樣產(chǎn)生徑向和環(huán)向應(yīng)力，是壓應(yīng)力。也會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞。容器強(qiáng)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)。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。第3頁/共56頁失穩(wěn)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)：外壓失穩(wěn)前，只有單純的壓縮應(yīng)力，在失穩(wěn)時(shí)，產(chǎn)生了以彎曲應(yīng)力為主的附加應(yīng)力。外壓容器的失穩(wěn)，實(shí)際上是容器筒壁內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)由單純的壓應(yīng)力平衡躍變?yōu)橹饕軓澢鷳?yīng)力的新平衡。

第4頁/共56頁5第5頁/共56頁二、容器失穩(wěn)形式第6頁/共56頁㈠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)。殼體橫斷面由原來的圓形被壓癟而呈現(xiàn)波形，其波形數(shù)可以等于兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)……。第7頁/共56頁㈡軸向失穩(wěn)

薄壁圓筒承受軸向外壓，當(dāng)載荷達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，也會(huì)喪失穩(wěn)定性。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，即圓筒發(fā)生了褶縐。第8頁/共56頁㈢局部失穩(wěn)

在支座或其他支承處以及在安裝運(yùn)輸中由于過大的局部外壓也可能引起局部失穩(wěn)。第9頁/共56頁三、臨界壓力計(jì)算臨界壓力：導(dǎo)致筒體失穩(wěn)的外壓，Pcr臨界應(yīng)力：筒體在臨界壓力作用下，筒壁內(nèi)的環(huán)向壓縮應(yīng)力，以scr表示。外壓低于Pcr，變形在壓力卸除后能恢復(fù)其原先形狀，即發(fā)生彈性變形。達(dá)到或高于Pcr時(shí)，產(chǎn)生的曲波形將是不可能恢復(fù)的。第10頁/共56頁臨界壓力與哪些因素有關(guān)？失穩(wěn)是固有性質(zhì)，不是由于圓筒不圓或是材料不均或其它原因所導(dǎo)致。每一具體的外壓圓筒結(jié)構(gòu)，都客觀上對(duì)應(yīng)著一個(gè)固有的臨界壓力值。臨界壓力的大小與筒體幾何尺寸、材質(zhì)及結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。第11頁/共56頁12第一組（①②）：L/D相同時(shí)，δ/D大者臨界壓力高；第二組（②③）：δ/D相同時(shí)，L/D小者臨界壓力高；第三組（③④）：δ/D、L/D相同，有加強(qiáng)圈者臨界壓力高。1、筒體幾何尺寸的影響第12頁/共56頁13材料的彈性模數(shù)E和泊桑比μ越大，其抵抗變形的能力就越強(qiáng)，因而其臨界壓力也就越高。但是，由于各種鋼材的E和μ值相差不大，所以選用高強(qiáng)度鋼代替一般碳素鋼制造外壓容器，并不能提高筒體的臨界壓力2、筒體材料性能的影響第13頁/共56頁14穩(wěn)定性的破壞并不是由于殼體存在橢圓度或材料不均勻而引起的。無論殼體的形狀多么精確，材料多么均勻，當(dāng)外壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)也會(huì)失穩(wěn)。殼體的橢圓度與材料的不均勻性，能使其臨界壓力的數(shù)值降低，使失穩(wěn)提前發(fā)生。3、筒體橢圓度和材料不均勻性的影響第14頁/共56頁根據(jù)失穩(wěn)情況將外壓圓筒分為三類：長(zhǎng)圓筒：剛性封頭對(duì)筒體中部變形不起有效支撐，最容易失穩(wěn)壓癟，出現(xiàn)波紋數(shù)n=2的扁圓形。短圓筒：兩端封頭對(duì)筒體變形有約束作用，失穩(wěn)破壞波數(shù)n>2，出現(xiàn)三波、四波等的曲形波。剛性圓筒：若筒體較短，筒壁較厚，即L/D0較小，de/D0較大，容器的剛性好，不會(huì)因失穩(wěn)而破壞。第15頁/共56頁㈠長(zhǎng)圓筒

式中Pcr-臨界壓力，MPa；de-筒體的有效厚度，mm；D0-筒體的外直徑，mmEt-操作溫度下圓筒材料的彈性模量，MPa

m-材料的泊桑比。長(zhǎng)圓筒的臨界壓力計(jì)算公式：第16頁/共56頁分析：長(zhǎng)圓筒的臨界壓力僅與圓筒的相對(duì)厚度de/D0有關(guān)，而與圓筒的相對(duì)長(zhǎng)度L/D0無關(guān)。對(duì)于鋼制圓筒，m=0.3，則

第17頁/共56頁㈡短圓筒短圓筒的臨界壓力計(jì)算公式為：

短圓筒臨界壓力與相對(duì)厚度de/D0有關(guān)，也隨相對(duì)長(zhǎng)度L/D0變化。

L/D0越大，封頭的約束作用越小，臨界壓力越低。第18頁/共56頁L為筒體計(jì)算長(zhǎng)度，指兩相鄰加強(qiáng)圈的間距；對(duì)與封頭相連接的那段筒體而言，應(yīng)計(jì)入凸形封頭中的1/3的凸面高度。第19頁/共56頁臨界壓力計(jì)算公式使用范圍：臨界壓力計(jì)算公式在認(rèn)為圓筒截面是規(guī)則圓形及材料均勻的情況下得到的。實(shí)際筒體都存在一定的圓度，不可能是絕對(duì)圓的，實(shí)際筒體臨界壓力將低于計(jì)算值。但即使殼體形狀很精確和材料很均勻，當(dāng)外壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，也會(huì)失穩(wěn)，只不過是殼體的圓度與材料的不均勻性能使其臨界壓力的數(shù)值降低，使失穩(wěn)提前發(fā)生。

第20頁/共56頁㈢剛性筒

剛性筒是強(qiáng)度破壞，計(jì)算時(shí)只要滿足強(qiáng)度要求即可，其強(qiáng)度校核公式與內(nèi)壓圓筒相同。

第21頁/共56頁㈣臨界長(zhǎng)度實(shí)際外壓圓筒是長(zhǎng)圓筒還是短圓筒，可根據(jù)臨界長(zhǎng)度Lcr來判定。當(dāng)圓筒處于臨界長(zhǎng)度Lcr時(shí)，長(zhǎng)圓筒公式計(jì)算臨界壓力Pcr值和短圓筒公式計(jì)算臨界壓力Pcr值應(yīng)相等第22頁/共56頁得：

當(dāng)筒長(zhǎng)度L≥Lcr，Pcr按長(zhǎng)圓筒當(dāng)筒長(zhǎng)度L≤Lcr時(shí)，Pcr按短圓筒

公式按規(guī)則圓形推的，實(shí)際圓筒總存在一定的不圓度，公式的使用范圍必須要求限制筒體的圓度e。第23頁/共56頁四、外壓圓筒的設(shè)計(jì)㈠算法概述

外壓圓筒計(jì)算常遇到兩類問題：一是已知圓筒的尺寸，求它的許用外壓[p]；另一是已給定工作外壓，確定所需厚度de。第24頁/共56頁1．許用外壓[p]圓度，長(zhǎng)圓筒或管子一般壓力達(dá)到臨界壓力值的l／2～1／3時(shí)就可能會(huì)被壓癟。大于計(jì)算壓力的工況，不允許在外壓力等于或接近于臨界壓力，必須有一定的安全裕度，使許用壓力比臨界壓力小，即

[p]-許用外壓；m-穩(wěn)定安全系數(shù)，m>1第25頁/共56頁穩(wěn)定安全系數(shù)m的選取主要考慮兩個(gè)因素：一個(gè)是計(jì)算公式的可靠性；另一個(gè)是制造上所能保證的圓度。根據(jù)GB150-1998《鋼制壓力容器》的規(guī)定m=3，圓度與D0/de、L/D0有關(guān)。第26頁/共56頁第27頁/共56頁2．設(shè)計(jì)外壓容器由于Pcr或[p]都與筒體的幾何尺寸（de、D0、L）有關(guān)，通常采用試算法：設(shè)計(jì)外壓容器，應(yīng)使許用外壓[p]小于臨界壓力Pcr，即穩(wěn)定條件為：第28頁/共56頁試算法：由工藝條件定內(nèi)徑和筒體長(zhǎng)度先假定一個(gè)de，根據(jù)筒體計(jì)算長(zhǎng)度判斷屬于長(zhǎng)圓筒還是短圓筒，再代入相應(yīng)臨界壓力計(jì)算式。求出相應(yīng)的[p],然后比較[p]是否大于或接近設(shè)計(jì)壓力p，以判斷假設(shè)是否合理。第29頁/共56頁設(shè)計(jì)外壓：不小于正常工作過程中可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓力差。真空容器：有安全控制裝置（真空泄放閥），取1.25倍最大內(nèi)外壓差或0.1MPa中較小值；無安全控制裝置，取0.1MPa帶夾套容器：真空設(shè)計(jì)壓力再加上夾套設(shè)計(jì)壓力。第30頁/共56頁31外壓圓筒壁厚設(shè)計(jì)圖算法的基本思路1.根據(jù)幾何尺寸查圖10-15，得到臨界應(yīng)變（即參數(shù)A）；2.根據(jù)參數(shù)A查圖10-16至圖10-20，得到2/3倍臨界應(yīng)力（即參數(shù)B）；3.根據(jù)參數(shù)B計(jì)算許用外壓力[p]。（二）圖算

第31頁/共56頁周向應(yīng)變以A代替第32頁/共56頁第33頁/共56頁第34頁/共56頁（三）外壓圓筒厚度設(shè)計(jì)方法

利用算圖確定外壓圓筒厚度。步驟如下：

1．D0/de≥20的外壓圓筒及外壓管

a.假設(shè)dn,計(jì)算de＝dn-C,定出L/D0、D0/de值

b.在圖10-15外壓或軸壓受壓圓筒和管子幾何參數(shù)計(jì)算圖中得到系數(shù)A；第35頁/共56頁

c.根據(jù)所用材料，從A-B關(guān)系圖（圖10-16至圖10-20）中選用，讀出B值，并按式（10-25）或（10-26）計(jì)算許用外壓力[p]：第36頁/共56頁d.比較許用外壓[p]與設(shè)計(jì)外壓p若p≤[p]，假設(shè)的厚度dn可用，若小得過多，可將dn適當(dāng)減小，重復(fù)上述計(jì)算若p＞[p]，需增大初設(shè)的dn，重復(fù)上述計(jì)算，直至使[p]＞p且接近p為止。第37頁/共56頁2.D0/de＜20的外壓圓筒及外壓管子a．用與D0/de≥20相同的方法得到系數(shù)B，但對(duì)D0/de＜4圓筒及管子計(jì)算系數(shù)A值：系數(shù)A＞0.1時(shí)，取A=0.1；第38頁/共56頁b．計(jì)算[p]l和[p]2。取[p]l和[p]2中的較小值為許用外壓[p]s0取以下兩式中的較小值第39頁/共56頁c．比較許用外壓[p]與設(shè)計(jì)外壓p若p≤[p]，假設(shè)的厚度dn可用，若小得過多，可將dn適當(dāng)減小，重復(fù)上述計(jì)算若p＞[p]，需增大初設(shè)的dn，重復(fù)上述計(jì)算，直至使[p]＞p且接近p為止。第40頁/共56頁五、外壓容器的試壓

外壓容器和真空容器按內(nèi)壓容器進(jìn)行液壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力取1.25倍的設(shè)計(jì)外壓，即

式中p-設(shè)計(jì)外壓力，MPa；

pT-試驗(yàn)壓力，MPa。第41頁/共56頁夾套容器內(nèi)筒如設(shè)計(jì)壓力為正值時(shí)，按內(nèi)壓容器試壓；如設(shè)計(jì)壓力為負(fù)值時(shí)按外壓容器進(jìn)行液壓試驗(yàn)。第42頁/共56頁夾套容器液壓試驗(yàn)合格后再焊接夾套。夾套內(nèi)壓試驗(yàn)壓力夾套內(nèi)壓試驗(yàn)必須事先校核該容器在夾套試壓時(shí)的穩(wěn)定性是否足夠。不滿足穩(wěn)定性，則液壓試驗(yàn)時(shí)容器內(nèi)保持一定壓力，以便在整個(gè)試壓過程中，夾套與筒體的壓力差不超過設(shè)計(jì)值。第43頁/共56頁例4-3：分餾塔內(nèi)徑2000mm，塔身(不包括橢圓形封頭)長(zhǎng)度為6000mm，封頭深度500mm。370℃及真空條件下操作。現(xiàn)庫存有9、12、14mm厚20g鋼板。能否用這三種鋼板制造。

塔的計(jì)算長(zhǎng)度鋼板負(fù)偏差均為0.3mm鋼板的腐蝕裕量取1mm。有效厚度為7.7、10.7和12.7mm。簡(jiǎn)化計(jì)算，有效厚度7、10和12mm第44頁/共56頁當(dāng)de=7mm時(shí)查圖10-15得A=0.000085。20g鋼板的ss=250MPa（查附錄7），查圖10-17，A值點(diǎn)落在材料溫度線得左方，故20g鋼板370℃時(shí)的E=1.69×105MPa[p]＜0.1MPa，所以9mm鋼板不能用。第45頁/共56頁當(dāng)de=10mm時(shí)

查圖10-15得A=0.000013。查圖10-17，A值所在點(diǎn)仍在材料溫度線得左方，故

[p]＜0.1MPa，所以12mm鋼板也不能用。

第46頁/共56頁當(dāng)de=12mm時(shí)

查圖10-15得A=0.000018。查圖10-17，A值所在點(diǎn)仍在材料溫度線得左方，故

[p]＞0.1MPa，所以，須采用14mm厚的20g鋼板制造。第47頁/共56頁六、加強(qiáng)圈內(nèi)徑2000mm、全長(zhǎng)7000mm的分餾塔，要保證在0.1MPa外壓下安全操作，須用14mm厚鋼板。較簿鋼板滿足不了外壓要求。裝上一定數(shù)量的加強(qiáng)圈，利用圈對(duì)筒壁的支撐作用，可以提高圓筒的臨界壓力，從而提高其工作外壓。

第48頁/共56頁加強(qiáng)圈的作用縮短計(jì)算長(zhǎng)度，減少壁厚，達(dá)到