化工設(shè)備機械基礎(chǔ)-第十四章-外壓容器課件

第14章外壓容器穩(wěn)定性問題的實質(zhì)：薄壁殼體不論是受到何種載荷作用，只要殼體內(nèi)產(chǎn)生了壓縮應(yīng)力，就有可能出現(xiàn)穩(wěn)定性問題。當(dāng)引起壓應(yīng)力的載荷達到一定值時，容器截面會因剛度不足突然失去原有平衡時的形狀，產(chǎn)生永久性的壓癟或皺褶，這種現(xiàn)象稱為殼體失去了穩(wěn)定性。臨界應(yīng)力：殼體失穩(wěn)時的壓應(yīng)力，相應(yīng)的載荷稱為臨界載荷。臨界應(yīng)力低于材料的比例極限時稱為彈性（線性）失穩(wěn)，高于比例極限時稱為非彈性（非線性）失穩(wěn)。

概述殼體穩(wěn)定性的實例高塔受到風(fēng)載荷和重力載荷的共同時作用時，在裙座的背風(fēng)側(cè)有可能由于局部壓應(yīng)力過大而出現(xiàn)局部失穩(wěn)（屈曲）現(xiàn)象。容器在支座處或其它支承處以及在安裝運輸中由于過大的局部外壓等都有可能引起局部失穩(wěn)。受均布內(nèi)壓的橢球殼，如標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，在赤道附近存在壓應(yīng)力而有可能導(dǎo)致環(huán)向失穩(wěn)。因此，在GB150中有“標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%”的規(guī)定，目的就是為了避免在標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的赤道處出現(xiàn)內(nèi)壓下的環(huán)向失穩(wěn)問題。容器受到外壓作用時，除了在筒體與封頭的局部區(qū)域有可能產(chǎn)生拉應(yīng)力之外，在其大部分壁厚區(qū)域內(nèi)會產(chǎn)生壓縮薄膜應(yīng)力。此時，容器的失效形式有兩種可能：一種是發(fā)生壓縮屈服破壞，另一種是當(dāng)外壓達到一定數(shù)值時，殼體的徑向撓度隨壓縮應(yīng)力的增加趨向急劇增大，直至容器壓癟，此即為外壓容器的失穩(wěn)。外壓容器的穩(wěn)定性是薄殼穩(wěn)定性問題的主要內(nèi)容。實踐表明，外壓薄壁容器的失穩(wěn)是其主要的失效形式，。真空操作的冷凝器、結(jié)晶器、蒸餾塔等，夾套容器中用于加熱的介質(zhì)的壓力大于內(nèi)筒中的壓力時，內(nèi)筒即為外壓容器。圓筒所受壓縮載荷有三種情況：軸向受壓，徑向受壓，兩向受壓。筒形容器受氣體外壓時，屬于二向受壓。裙座受塔體的重力作用屬于軸向受壓。薄壁圓筒受軸向壓縮載荷作用時，有可能出現(xiàn)軸向失穩(wěn)。軸向失穩(wěn)不同于一般細長壓桿的失穩(wěn)，其特點是軸線的直線狀態(tài)不變，但經(jīng)線變?yōu)椴ɡ诵巍９こ淘O(shè)計時，對高塔的裙座可以按照軸向失穩(wěn)來確定其臨界應(yīng)力，將風(fēng)載荷產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和塔體重力產(chǎn)生的壓應(yīng)力疊加得到的組合壓應(yīng)力限制在臨界應(yīng)力以下，以保證裙座具有足夠的軸向穩(wěn)定性。外壓容器的穩(wěn)定性取決于圓筒。對于同樣的壁厚，圓筒比封頭更容易失穩(wěn)。圓筒兩向受壓時，研究表明這種情況中的軸向外壓對圓筒失穩(wěn)的影響不大，在工程設(shè)計中，可按僅受徑向受壓來考慮，失穩(wěn)時沿環(huán)向會形成幾個波。外壓圓筒的穩(wěn)定性臨界壓力pcr：外壓容器發(fā)生失穩(wěn)時的相應(yīng)壓力。當(dāng)容器所受外壓超過臨界壓力時，容器就會失穩(wěn)。臨界壓力的高低表示了容器穩(wěn)定性的大小，是表征容器穩(wěn)定性的重要參數(shù)。影響圓筒臨界壓力的因素：圓筒自身的尺寸：壁厚愈大，直徑愈小，愈不易失穩(wěn)。厚徑比愈大，臨界壓力愈高，容器的穩(wěn)定性愈好。圓筒所受的約束：指支撐圓筒提高其保持圓環(huán)截面能力的約束。由于封頭的剛性較筒體高，所以封頭就是外壓圓筒的約束。約束自身的剛度決定了約束對圓筒材料的支撐能力及影響范圍。短圓筒：兩相鄰約束的影響范圍重疊，約束的強弱對其穩(wěn)定性有很大影響。短圓筒失穩(wěn)時呈現(xiàn)兩個以上的波，其臨界壓力的值較高。對于一定的圓筒直徑，短圓筒的臨界壓力不僅與壁厚有關(guān)，而且與約束的強弱及約束間的距離有關(guān)。長圓筒：兩相鄰約束的影響范圍不重疊，對中間部分的圓筒沒有加強作用，即其穩(wěn)定性不受約束的影響。長圓筒失穩(wěn)時呈現(xiàn)兩個波（扁形），臨界壓力較低，較易失穩(wěn)。長圓筒適用圓環(huán)受徑向外壓作用的力學(xué)模型。當(dāng)圓筒穩(wěn)定性不足時，可以在圓筒上增加剛性約束（加強圈），也可以增加筒壁厚度（圓筒直徑及容積通常取決于工藝要求）。外壓圓筒上設(shè)置加強圈是提高其穩(wěn)定性的經(jīng)濟而有效的措施。加強圈可設(shè)置在圓筒外部也可以在圓筒內(nèi)部，通?？捎霉ぷ咒摰刃弯撝瞥?。圓筒材料的性能：與壓桿類同，圓筒失穩(wěn)時環(huán)向“纖維層”發(fā)生了彎曲。對于彈性失穩(wěn)，臨界壓力與彈性常數(shù)E和μ有關(guān)，與屈服點無關(guān)。彈性常數(shù)的值愈大，穩(wěn)定性愈好。由于各種鋼材的彈性常數(shù)的值相差不大，因此，對于彈性（線性）失穩(wěn)來說，選用高強度鋼對提高筒體的穩(wěn)定性沒有意義；對于非彈性（非線性）失穩(wěn)，由于其臨界壓力與材料的強度特性有關(guān)，采用高強度鋼可以提高圓筒的穩(wěn)定性。圓筒的初始缺陷：外壓圓筒的失穩(wěn)并非由于圓筒周線不圓所致，就是說即使圓筒橫截面為幾何上的理想圓環(huán)形，圓筒也會失穩(wěn)。但是，圓筒各種初始缺陷，諸如幾何形狀和尺寸的偏差（如焊接或焊后熱處理引起的變形，鋼板厚度的不均勻，圓筒的橢圓度等）、材料性能的不均勻等，這些都會對圓筒的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響，或者說臨界壓力對初始缺陷極為敏感。工程設(shè)計中，對于初始缺陷以穩(wěn)定安全系數(shù)來反映；一定的穩(wěn)定安全系數(shù)值，是以對初始缺陷進行一定的控制為前提的。外壓容器的穩(wěn)定性設(shè)計，就是要保證在所承受的外壓下容器具有足夠的穩(wěn)定性，即容器的穩(wěn)定性條件為：pc≤[p]pc–計算外壓力，許用外壓[p]由計算得到的臨界壓力pcr除以穩(wěn)定安全系數(shù)m而得。設(shè)計外壓的確定同樣要考慮容器最危險的工況。如真空容器當(dāng)無安全控制裝置（如真空泄放閥）時，設(shè)計壓力取0.1MPa.我國GB150規(guī)定外壓圓筒的穩(wěn)定安全系數(shù)取m=3。這個安全系數(shù)是以一定制造要求為基礎(chǔ)的，如標(biāo)準(zhǔn)對圓筒的橢圓度誤差就做了具體規(guī)定。外壓圓筒設(shè)計的圖算法外壓圓筒的穩(wěn)定性計算，關(guān)鍵是求取圓筒的臨界壓力pcr

。長圓筒的臨界壓力與約束無關(guān)。短圓筒的臨界壓力與約束的強弱及約束間的距離有關(guān)。GB150中采用計算長度L（兩相鄰剛性約束間的最大距離）來表示約束的影響。加強圈可視為剛性約束，凸形封頭計入其曲面深度的1/3。不論對于長圓筒或短圓筒，其臨界壓力可表示為：式中：K—系表示與圓筒失穩(wěn)時的波數(shù)及L/Do有關(guān)的系數(shù)。臨界應(yīng)力（環(huán)向）：式中scr/E項在GB150中用A表示，意為圓筒失穩(wěn)時的環(huán)向應(yīng)變，與材料的性能無關(guān)。長圓筒（m=0.3）：短圓筒采用美國海軍水槽試驗公式：許用外壓：在GB150中，設(shè)：似乎按上述公式進行計算就可以解決厚度設(shè)計問題。事實上，就彈性失穩(wěn)而言，如此計算是一個比較繁瑣的逐步試算設(shè)計過程；對于非彈性（非線性）失穩(wěn)，上述公式中的E應(yīng)代之以所謂的切線彈性模量Et

，而Et

是一個變值。圖算法計算簡便，更重的是解決了Et的問題。厚度增加直徑減小約束減弱L/DoA用于所有材料Aescrs如此將材料拉伸曲線改造后，將所得scr數(shù)據(jù)按B—A關(guān)系繪到雙對數(shù)坐標(biāo)圖上，并將大部分的直線部分截去，即得到系數(shù)B的圖。假設(shè)dn，計算de、L/Do及Do/de用L/Do及Do/de的值查系數(shù)A若L/Do＞50，則用L/Do=50若L/Do

＜0.05，則用L/Do=0.05由A查B（非線性段）或計算B（線性段），并計算出許用外壓[p][p]大于pc且接近否？否是結(jié)束圖算法（Do/de≥20的圓筒或管子）的計算步驟設(shè)置加強圈，確定L/Do否Do/de＜20的圓筒和管子當(dāng)Do/δe＜20時表明圓筒相對較厚不易失穩(wěn)，可能發(fā)生塑性失穩(wěn)或塑性屈服破壞（此時scr已超過相應(yīng)溫度下的ss）。當(dāng)Do/de＜4時，說明筒體很厚，短圓筒已不可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，只有長圓筒可能發(fā)生失穩(wěn)，因而，此時的系數(shù)A按前述的長圓筒的計算公式進行計算。這種情況下的許用外壓值可能取決于強度和穩(wěn)定性兩方面，由下述的較小值來決定：式中：so--應(yīng)力，可理解為許用應(yīng)力，取so=2[s]t和so=0.9sst中的較小值。上式中的第一式為穩(wěn)定性條件，第二式為強度條件，是按厚壁圓筒應(yīng)用Tresca屈服條件導(dǎo)出的。具體的計算步驟與前述類同，在此不再贅述。軸向受壓圓筒這種情況是指僅受軸向壓力的作有，不包括外壓圓筒軸受壓的情況。例如塔設(shè)備的裙式支座受塔體自重的作用，這種情況由于圓筒直徑較大而不同于壓桿的穩(wěn)定問題，失穩(wěn)時軸線的直線狀態(tài)不會改變，而是其經(jīng)線會變成波浪曲線。沿軸線受均勻壓縮的薄壁圓筒，Timoshenko按照線性小變形理論得到臨界應(yīng)力的計算公式：對于一般鋼材，可取μ=0.3，于是有但實驗證明，臨界應(yīng)力σcr比上式計算值低80%～75%，且數(shù)據(jù)分散，原因為臨界應(yīng)力對初始幾何缺陷極為敏感。對于一般工程上R/δ≤500的情況，可采用如下的修正式：取穩(wěn)定安