按承壓方式對壓力容器分類

按承壓方式對壓力容器分類第1頁/共47頁2第一節(jié)概述一、外壓容器的失穩(wěn)

殼體外部壓力大于殼體內(nèi)部壓力的容器稱為外壓容器(舉例：真空冷凝器，夾套反應(yīng)釜)1、外壓容器的定義第2頁/共47頁31-攪拌器2-罐體3-夾套4-攪拌軸5-壓出管6-支座7-人孔8-軸封9-傳動裝置圖5-1夾套反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)圖第3頁/共47頁4薄壁圓筒周向薄膜應(yīng)力

δ—計算厚度，mm；D—筒體中間面直徑，mm。經(jīng)向薄膜應(yīng)力壓應(yīng)力2、外壓薄壁容器的受力第4頁/共47頁5承受外壓載荷的殼體，當(dāng)外壓載荷增大到某一值時，殼體會突然失去原來的形狀，被壓扁或出現(xiàn)波紋，載荷卸去后，殼體不能恢復(fù)原狀，這種現(xiàn)象稱為外壓殼體的失穩(wěn)。3、失穩(wěn)及其實質(zhì)圖5-2失穩(wěn)后的情況第5頁/共47頁6第6頁/共47頁7二、容器失穩(wěn)型式的分類

側(cè)向失穩(wěn)容器由均勻側(cè)向外壓引起的失穩(wěn)，叫側(cè)向失穩(wěn)特點:橫斷面由圓形變?yōu)椴ㄐ伍L圓筒動畫2波短圓筒動畫3波短圓筒動畫4波p1、按受力方向分為側(cè)向失穩(wěn)與軸向失穩(wěn)圖5-3外壓圓筒側(cè)向失穩(wěn)后的形狀第7頁/共47頁8軸向失穩(wěn)軸向失穩(wěn)由軸向壓應(yīng)力引起，失穩(wěn)后其經(jīng)線由原來的直線變?yōu)椴ㄐ尉€，而橫斷面仍為圓形。

p圖5-4薄膜圓筒的軸向失穩(wěn)第8頁/共47頁9整體失穩(wěn)局部失穩(wěn)壓應(yīng)力均布于全部周向或徑向，失穩(wěn)后整個容器被壓癟。壓應(yīng)力作用于某局部處，失穩(wěn)后局部被壓癟或皺折，如容器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引起的局部失穩(wěn)。2、按壓應(yīng)力作用范圍分為整體失穩(wěn)與局部失穩(wěn)第9頁/共47頁10第二節(jié)臨界壓力

一、臨界壓力的概念殼體失穩(wěn)時所承受的相應(yīng)壓力，稱為臨界壓力。

殼體在臨界壓力作用下，殼體內(nèi)存在的壓應(yīng)力稱為臨界壓應(yīng)力。第10頁/共47頁11二、影響臨界壓力的因素

第一組（①②）：L/D相同時，δ/D大者臨界壓力高；第二組（②③）：δ/D相同時，L/D小者臨界壓力高；第三組（③④）：δ/D、L/D相同，有加強圈者臨界壓力高。1、筒體幾何尺寸的影響第11頁/共47頁12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，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12頁/共47頁13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)外壓力達到一定數(shù)值時也會失穩(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13頁/共47頁14三、

長圓筒、短圓筒、剛性圓筒的定性描述

相對幾何尺寸兩端邊界影響臨界壓力失穩(wěn)時波形數(shù)長圓筒忽略2短圓筒顯著大于2的整數(shù)剛性圓筒不失穩(wěn)第14頁/共47頁15四、臨界壓力的理論計算公式

鋼制長圓筒無關(guān)1、長圓筒第15頁/共47頁16推論：從長圓筒臨界壓力公式可得相應(yīng)的臨界應(yīng)力與臨界應(yīng)變公式臨界壓力臨界應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變與材料無關(guān),只與筒體幾何尺寸有關(guān)第16頁/共47頁17有關(guān)圓筒外部或內(nèi)部兩相鄰剛性構(gòu)件之間的最大距離舉例2、鋼制短圓筒第17頁/共47頁18L＝圓筒長＋封頭直邊段＋端蓋1深度+端蓋2深度舉例20002000

對于凸形端蓋對于筒體上有加強圈的圓筒外部或內(nèi)部兩相鄰剛性構(gòu)件之間的最大距離圖5-5外圓筒的計算長度第18頁/共47頁19推論：從短圓筒臨界壓力公式可得相應(yīng)的臨界應(yīng)力與臨界應(yīng)變公式臨界壓力臨界應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變與材料無關(guān),只與筒體幾何尺寸有關(guān)第19頁/共47頁203、剛性圓筒4/,,][tstMPass可取用壓應(yīng)力材料在設(shè)計溫度下的許壓-第20頁/共47頁211)定義:容器在外壓作用下，與臨界壓力相對應(yīng)的長度，稱為臨界長度。2)作用:用臨界長度和作為長、短圓筒和剛性圓筒的區(qū)分界限。剛性圓筒短圓筒長圓筒五、臨界長度和長圓筒、短圓筒、剛性圓筒的定量描述1、臨界長度第21頁/共47頁22長圓筒臨界壓力公式3)求解:第22頁/共47頁23短圓筒臨界壓力公式剛性圓筒最高工作壓力公式第23頁/共47頁244)結(jié)論剛性圓筒短圓筒長圓筒若某圓筒的計算長度為

L，則：

L＞crL

屬長圓筒

crL￠＜L＜crL

屬短圓筒

L＜crL￠

屬剛性圓筒

第24頁/共47頁25第三節(jié)外壓圓筒的工程設(shè)計一、設(shè)計準則[P]—許用外壓力，MPa—穩(wěn)定安全系數(shù)。

1、許用外壓力[P]和穩(wěn)定安全系數(shù)m對圓筒、錐殼

m=3；

球殼、橢圓形和碟形封頭

m=15

第25頁/共47頁262、設(shè)計準則計算壓力Pc≤mPPcr=][，并接近[P]

第26頁/共47頁27二、外壓圓筒壁厚設(shè)計的圖算法1、算圖（1）幾何參數(shù)計算圖：L/Do—Do/δe—A關(guān)系曲線令A(yù)=ε，以A作為橫坐標(biāo)，L/Do作為縱坐標(biāo)，

Do/δe作為參量繪成曲線；見圖5-6AL/DoDo/δe第27頁/共47頁28圖5-6外壓或軸向受壓圓筒和管子幾何參數(shù)計算圖（用于所有材料）εcr第28頁/共47頁29（2）厚度計算圖（不同材料）：B—A關(guān)系曲線

已知L/Do，Do/δe查幾何算圖周向應(yīng)變A（橫坐標(biāo)）找出A—Pcr

的關(guān)系（類似于εcr—σcr）判定筒體在操作外壓力下是否安全（圖5-6）第29頁/共47頁30于是由可得令(5-9)

pcr=m[p](5-10)第30頁/共47頁31由于若以為橫坐標(biāo)，B為縱坐標(biāo)，將B與(即圖中A)關(guān)系用曲線表示出來，我們就得到了如圖5—7所示的曲線。利用這組曲線可以方便而迅速地從找到與之相對應(yīng)的系數(shù)B，并進而用(5－10)式求出[p]。AB圖5-7外壓圓筒的許用應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系第31頁/共47頁32系數(shù)A=εcr系數(shù)B/MPa圖5-外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖(屈服點σs＞207MPa的碳素鋼和0Cr13、1Cr13鋼)-(＞、圖8外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖屈服點σs207MPa的碳素鋼和0Cr131Cr13鋼)第32頁/共47頁33系數(shù)B/MPa系數(shù)A=εcr圖-9外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖(16MnR，15CrMo鋼)圖5-外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖(16MnR，15CrMo鋼)第33頁/共47頁34（二）外壓圓筒和管子厚度的圖算法(2)查A系數(shù)：在圖5-5縱坐標(biāo)上找到，由此點水平移動與線相交，再垂直下移在橫坐標(biāo)上讀得系數(shù)A(3)由材料選用圖5-7至圖5-14,在橫坐標(biāo)上找出系數(shù)A，若A在設(shè)計溫度的材料線右方，則垂直移動與材料溫度線相交，再水平右移得B系數(shù)并按(5-11)計算許用外壓力，若A值在材料溫度線左方，按式（5-12）計算(5-12)(5-11)(1)假設(shè)，令，求出和(4)比較計算壓力Pc與許用外壓力[P]，要求Pc[P]且比較接近

情況1第34頁/共47頁35情況2(1)用與D0/δe

20時相同的步驟得到系數(shù)B。但對于D0/δe<4的圓筒和管子，則系數(shù)A用下式計算：(5-13)

系數(shù)A>0.1時，取A=0.1。0取以下兩值中的較小值：

0＝2[]t

或

0＝0.9st

或0.90.2t(2)用步驟A所得系數(shù)B，下式計算[p]1和[p]2：(5-15)(5-14)

(3)所得[p]1和[p]2中的較小值為許用外壓力[p]。比較

pc與[p]，若p

c＞[p]，則需再假設(shè)壁厚δn，重復(fù)上述計算步驟，直至

[p]大于且接近于pc為止。第35頁/共47頁36三、外壓圓筒的試壓外壓容器和真空容器以內(nèi)壓進行壓力試驗。試驗壓力第36頁/共47頁37試確定一外壓圓筒的壁厚。已知計算外壓力Pc＝0.2MPa，內(nèi)徑Di＝1800mm，圓筒計算長度L＝10350mm，如圖5-15(a)所示，設(shè)計溫度為250℃，壁厚附加量取C＝2mm，材質(zhì)為16MnR，其彈性模數(shù)Et＝186.4×103MPa。四、例題(a)(b)hi/3hiD0

L=10350

hi/3hi/3hiD0

hi/3L=3450L=3450L=3450第37頁/共47頁38(1)設(shè)筒體名義壁厚δn＝14mm，則D0

＝1800+2×14＝1828mm筒體有效壁厚δe

＝

δn-

C＝14-2＝12mm，則

L／D0＝10350／1828＝5.7；D0／δe

＝1828／12＝152；(D0／δe

＞20)。hi/3hiD0

L=10350

hi/3第38頁/共47頁39(2)在圖5－5的左方找出L／D0

＝5.7的點，將其水平右移，與D0/δe

＝152的點交于一點，再將點下移，在圖的下方得到系數(shù)A＝0.00011；第39頁/共47頁400.000150.00020.00011第40頁/共47頁41(3)在圖5—9的下方找到系數(shù)A＝0.00011所對應(yīng)的點，此點落在材料溫度線的左方，故利用5－12式確定[p]：

顯然[p]<p，故須重新假設(shè)壁厚δn或設(shè)置加強圈。現(xiàn)按設(shè)兩個加強圈進行計算(仍取δn

＝14mm)。(b)hi/3hiD0

hi/3L=3450L=3450L=3450第41頁/共47頁42(1)設(shè)兩個加強圈后計算長度L＝3450mm，則

L／D0

＝3450／1828＝1.9，D0/δe

＝152；(2)由圖5—5查得A＝0.00035；(3)在圖5—9的下方找到系數(shù)A=0.00035(此點落在材料溫度線的右方)，將此點垂直上移，與250℃的材料溫度線交于一點，再將此點水平右移，在圖的右方得到B=42.5；(4)按(5－13)式計算許用外壓力[p](5)比較pc與[p]，顯然pc=0.2MPa<[p]，且較接近，故取δe＝12mm合適。

則該外壓圓筒采用δn＝14mm的16MnR鋼板制造，設(shè)置兩個加強圈，其結(jié)果是滿意的。第42頁/共47頁43