外压容器设计

2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology1主要内容：外压圆筒图算法原理外压封头的计算真空容器加强圈的计算例题第四节外压容器的设计2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology2关于外压容器临界压力计算圆筒的类型；不同类型圆筒的临界压力计算公式不同。解析法求解需用应力，首先假设名义壁厚，计算临界长度，判断长、短圆筒，然后再进行计算临界压力，与设计压力进行比较，是一个非常复杂的试算过程。弹性范围内。2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology3为了避免解析法设计的不足，各国均推荐采用图算法。图算法是工程设计中常用的方法，它适用于弹性及弹塑性失稳设计。图解法是以勃莱斯公式和拉默公式为基础的。1外压圆筒图算法原理2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology4（1）临界压力计算长圆筒公式：302.2DtEPecr短圆筒公式：5.05.2/45.0/59.2oeooecrDDLDEP常常写为：ooecrDLDEP5.2/59.22019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology5（2）临界应力计算eocrcrDP2（1）圆筒在临界压力的作用下，所产生的周向应力长圆筒：21.1oecrDE（2）短圆筒：ooecrDLDE5.1/3.1（3）以上公式仅在临界应力小于p时才成立。2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology6为了解决非弹性失稳时临界应力的计算，取E，此处的E为广义弹性模量。长圆筒：21.1oecrD（7）短圆筒：ooecrDLD5.1/3.1（8）图6材料的应力—应变曲线为了避开E值，其在塑性状态下为变值。2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology7临界应变与材料的E没有关系，仅是筒体几何尺寸的函数；建立的临界压应变与L/Do，Do/Se的函数关系，是以于勃莱斯公式和拉默公式为基础的。因此，只适用于仅存在周向应力、不存在轴向应力的情况。一旦建立了图形，则适用于不同的材料。如果在弹性范围内，就可用公式（5）（6），计算，否则需要查图计算。2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology8①eooeoeocrcrDDLfEDPmEDPA,22～，将其绘制如图，可以很方便地查出临界应变，即A的值。A曲线的由来。2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology9②计算图的绘制绘制关系图注意：曲线图中的D用外径D0代替。横坐标用字母A代替。S0以代替。0,LDfDS＝crEo图3-1外压或轴向受压圆筒和管子几何参数计算图（用于所有材料）2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology10钢制长圆筒，在图上是垂直于横坐标的直线部分。钢制短圆筒：对应不同参数，ε不同。反映出米赛斯或拉默公式的适用范围，是一条斜线。本图与材料的E值无关。钢材取μ＝0.3，普遍使用。2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology11求解出临界应变后，可以通过材料的拉伸曲线求解临界应力。（3）许用外压的确定，此为外压计算的目的。工程实际中：①长圆筒或者管子存在椭圆度，一般压力达到1/3~1/2临界压力就会被压瘪；②在操作时由于操作条件的破坏，壳体实际承受的压力会比计算的压力大。m值根据我国设计规定取为3.0。mPPcr2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology12②将材料的曲线改为32，因为：eoeocrcrEDPmEDP2][2整理可得：creoEmPD2][（10）此处m为3为了查图更加方便，令creoBPD32][，把材料的曲线改为B—A曲线，根据A的值直接查得Ｂ，则有：oeDBp][（11）弹性范围内采用EAB32计算，结果更准确。2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology132019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology14设计计算步骤：对于eoD≥10的圆筒：（1）假设n，令21CCne；（2）计算出00eDLD，；查ε＝A。（3）根据所用材料及设计温度查B。若A值落在材料温度线左方，B值查不到，必须按公式计算：EAB32（4）按照公式oeDBp][，求出[P]；（5）比较P与[P]，应使[P]略大于P，否则必须再设n，重复上述步骤。2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology152封头的稳定性计算按弹性小变形理论得球壳失稳的临界压力：2020221.1132REREPeecr00605.02RERPeecrcr0605.0RecrmPPcr][=02REmecrs，令crscrssEmmB22如果M=3，则可以像圆筒一样计算；（1）外压球壳2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology16但是我国钢制容器设计规定：m＝14.52，又想使用B—A曲线，怎么办？可以采用按照比例减少A的办法来实现减少查得的Ｂ值；所以要是查得的crB52.142，减少多少？令EARpBe32][0则：EARpe032][，则根据公式(12)得出：eiRA125.0，2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology17图算法的基本步骤与外压筒体相似：（1）假设n，令21CCne；（2）计算A的值。（3）根据材料及设计温度查B。若A值落在材料温度线左方，则B值必须按公式计算：EAB32（4）按照公式eiRBP求[P]；（5）比较P与[P]，应使[P]略大于P，否则必须再设n。2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology18（2）外压凸形封头外压凸形封头的稳定性计算与球壳相同，所考虑的仅是如何确定计算中涉及到的球壳半径R。●碟形封头，仅球冠部分为压应力，因此以球冠的内半径作为计算半径Ri；●椭圆形封头，取当量计算半径Ri=KDi，其中标准椭圆形封头为K=0.9。2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology19（3）外压锥形封头1、对于60的外压锥形封头，按承受外压的等效圆柱形筒体计算。2、60的外压锥形封头按平板封头计算。2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology203真空容器加强圈设计（longcylinder）：302.2DEPecr（shortcylinder）：ooecrDLDEP5.2/59.2增加临界压力的途径主要有：提高E值、增加壁厚与降低L值。提高E值是指选择高质量的高E值材质，但钢材的E差别不大；增加壁厚则增加了设备重量；降低L才是比较经济的方法。降低L最好的办法是增设加强圈。当外压一定时，通过设置加强圈也可以达到减少筒体壁厚的目的。2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology21将长圆筒转化为短圆筒，或者减少短圆筒的计算长度，目的是提高临界压力，有效地减少壁厚，提高稳定性；设计主要是确定加强圈的间距、截面尺寸及结构设计。间距就是保证必须将其转换为短圆筒，注意增加加强圈后的计算长度的计算；2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology22图9每个加强圈所承受的载荷图10角钢与筒体有效段则成的刚性较大的圆环装有加强圈的筒体，受外压作用时，作用在加强圈两侧各L/2的外压力由何物承担？2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology23整个筒体和型钢制作的加强圈同时承担？筒体不承担，只有加强圈承担？压力是由筒体的有效段与加强圈所组成的具有组合截面的刚性环承担？GB150采用的第三种。2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology24①加强圈可采用扁钢、角钢、工字钢或其它型钢等材料供应方便且型钢具有较大的截面惯性矩。②加强圈可设置在容器的内部或外部，并应环绕容器整个圆周。③加强圈和壳体的连接必须足够紧密，以保证加强圈和壳体一起承载，加强圈和壳体之间可采用连续焊或间断焊。当加强圈设置在筒体外时，焊缝长度不小于1/2周长，设置在筒内时，焊缝总长度不少于1/3周长。（1）加强圈结构设计2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology25④为保证筒体和加强圈的稳定性，加强圈不得被任意削弱或割断。因安装或设备结构需要割断时，其弧长应不小于相关规定数值。2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology262019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology27图11用角钢作加强圈时的两种不同的安装方式2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology28（2）加强圈所需最小截面惯性矩的计算把加强圈视为一个受外压的圆环，其抗弯刚度EIs。其单位周长临界压力qcr，则根据理论推导有：324scrsEIqD（13）式中：Ds—圆环的中面直径。假设筒体无刚性，载荷全部由加强圈承担，则有圆环不失稳必要条件：324crSsqDIE（14）改写为：200212creePDLDIE2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology29I的含义为：为使在设计压力P的作用下圆环不失稳，该圆环截面所必需具有的最小轴惯性矩。求解上式时必须知道材料的E值，而E值只能在证明在纯弹性状态下失稳时，才能从手册中查取。解决的办法，采用图算法。2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology30考虑crAE＝与2crocrePD可以得到：20e12LDIA（16）实际上，加强圈和筒体共同承受外压力来保持筒体的稳定。GB150－98中，计算加强圈时采用了铁摩欣柯法。sreAL（17）As－每个加强圈的截面积；考虑到稳定系数m=3.0和过载系数取为1.1，公式（16）可以表示为：22001.1()1210.9rseLDDLAIAAL（18）2019/10/16QingdaoUniversityofscienceandtechnology31由于引入了A，则可以根据B-A曲线求取A，而B可以根据计算压力，圆筒外径和预先假设的型钢尺寸求取。0sePDBAL2019/10/16QingdaoUniversityofsciencea