《化工容器及设备》第4单元外压容器

外压容器第一节外压容器的稳定性第二节外压圆筒与外压球壳的图算法第三节外压圆筒的加强圈计算第四节外压封头计算第五节轴向受压圆筒第一节外压容器的稳定性一、外压容器的失稳二、外压薄壁圆筒临界压力计算三、临界长度与计算长度第一节外压容器的稳定性（续）——壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。外压容器在石油、化工生产中，许多容器和设备要在外压下操作。应用举例（1）真空操作容器或贮槽、减压精馏塔的外壳（2）用于加热或冷却的夹套容器的内层壳体第一节外压容器的稳定性（续）外压容器薄膜应力计算方法与内压容器相同，唯一不同点是应力的方向相反（弹性失效准则），承受内压时，圆筒薄膜应力为拉应力，承受外压时，圆筒薄膜应力为压应力。刚度不足而发生失稳破坏（讨论重点）强度不足而发生压缩屈服失效承受外压壳体失效形式：第一节外压容器的稳定性（续）运输中容器失稳第一节外压容器的稳定性（续）一、外压容器的失稳失稳现象定义:实质:从一种平衡状态跃到另一种平衡状态;应力从压应力变为弯应力。承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸去后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的屈曲（buckling）或失稳（instability）。第一节外压容器的稳定性（续）波纹数n=2波纹数n=3波纹数n=5波纹数n=4具体表现——横断面由圆变为波浪形，与壳体长度有关外压失稳的形状：第一节外压容器的稳定性（续）轴向非对称失稳轴向对称失稳外压对称失稳第一节外压容器的稳定性（续）由于薄壁外压容器的失稳往往是在强度破坏前发生。因此外压容器的主要失效形式是容器丧失稳定性，保证外压容器的稳定性是外压容器正常工作的必要条件。失稳类型弹性失稳弹塑性失稳（非弹性失稳）第一节外压容器的稳定性（续）弹性失稳：对于壁厚t与直径D比很小的簿壁回转壳，失稳时，器壁的压缩应力通常低于材料的比例极限，这种失稳称为弹性失稳；非弹性失稳（弹塑性失稳）：当间转壳体厚度增大时，壳壁中的压缩应力，超过材料的屈服点才发生失稳，这种失稳称为非弹性失稳或弹塑性失稳。非弹性失稳的机理和理论分析远较弹性失稳复杂，工程上一般采用简化计算方法。第一节外压容器的稳定性（续）失效形式：一种是因强度不足，发生压缩屈服失效；一种是因刚度个足，发生失稳破坏。外部载荷形式：轴向载荷周向载荷综合载荷第一节外压容器的稳定性（续）簿壁回转壳体承受均匀外压时，不仅在其周向均匀受压，同时可能在轴向受到均匀压缩载荷。理论分析表明这种轴向外压对壳体失稳影响不大。工程上主要讨论受周向均匀外压薄壁回转壳体的弹性失稳问题。第一节外压容器的稳定性（续）临界压力pcr壳体失稳时所承受的相应压力。研究表明，薄壁园柱壳受周向外压，当外压力达到一个临界值时，开始产生径向挠曲，并迅速增加。沿周向出现压扁或几个有规则的波纹。波纹数n：与临界压力相对应，较少的波纹数相应于较低的临界压力（对于给定外直径和壳壁厚度的园柱壳）。第一节外压容器的稳定性（续）影响波纹数n和临界压力pcr主要因素注意:外压容器失稳的根本原因是由于壳体刚度不足，并不是由于壳体存在椭圆度或材料不均匀所致。即椭圆度和材料不均匀对失稳的性质无影响，只影响使pcr↓。与圆柱壳端部约束形式、约束之间距离和圆柱壳上两个刚性元件之间距离L有关；随着壳体材料t弹性模量、泊松比的增大而增加；非弹性失稳的临界压力，还与材料的屈服点有关。第一节外压容器的稳定性（续）求、、crpcrcrL理想圆柱壳小挠度理论线性平衡方程和挠曲微分方程；tDwt②失稳时圆柱壳体的应力仍处于弹性范围。①圆柱壳厚度t与半径D相比是小量，位移w与厚度t相比是小量(,)假设理论目的第一节外压容器的稳定性（续）工程中，在采用小挠度理论分析基础上，引进稳定性安全系数m，限定外压壳体安全运行的载荷。（1）壳体失稳的本质是几何非线性的问题（2）经历成型、焊接、焊后热处理的实际圆筒，存在各种初始缺陷，如几何形状偏差、材料性能不均匀等（3）受载不可能完全对称小挠度线性分析会与实验结果不吻合。该理论的局限第一节外压容器的稳定性（续）外压圆筒的稳定条件mpppcr][稳定系数。临界压力，许用外压力，计算压力，mMPapMPapMPapcrc][第一节外压容器的稳定性（续）稳定系数（稳定性安全系数）m：确定稳定系数m，要全面考虑所用理论公式的精确程度，制造技术所能保证的质量（如形状公差），焊接结构形式等因素。如果所取m太小，会对制造要求过高；如果m太大则使设备笨重，造成浪费第一节外压容器的稳定性（续）我国GB150—1998《钢制压力容器》规定取外压圆筒的稳定系数m=3。在制造技术要求中则对外压圆筒相应规定椭圆度＜0.5％D（D为圆筒的公称直径），且≤25mm。椭圆度为圆筒最大内径和最小内径之差与公称直径之比(Dmax-Dmin)／D。圆筒壳的初始椭圆度会降低圆筒壳的临界压力。如果椭圆度＞0.5％，就不能再用m＝3，初始椭圆度对外压圆筒的临界压力的产生影响。第一节外压容器的稳定性（续）二、外压薄壁圆筒临界压力计算外压薄壁圆筒的稳定性计算是以小挠度理论为基础，此理论有以下假设：第一，筒体壁厚与半径相比是小量，位移与壁厚相比是小量。从而可得到用位移表示的线性平衡微分方程；第二、失稳时简体的应力仍处于弹性范围。第一节外压容器的稳定性（续）外压圆筒分类：L/Do和Do/t较大时，其中间部分将不受两端约束或刚性构件的支承作用，壳体刚性较差，失稳时呈现两个波纹，n=2。L/Do和Do/t较小时，壳体两端的约束或刚性构件对圆柱壳的支持作用较为明显，壳体刚性较大，失稳时呈现两个以上波纹，n＞2。L/Do和Do/t很小时，壳体的刚性很大，此时圆柱壳体的失效形式已经不是失稳，而是压缩强度破坏。刚性圆筒短圆筒长圆筒第一节外压容器的稳定性（续）1.长圆筒的临界压力由于长圆筒的壳体足够长，故其失稳不受筒端的约束作用，因此长圆筒的临界压力的计算方法与圆筒中离边界较远处切出的圆环的临界压力计算方法是相同的。在推导长圆筒临界压力的理论公式时，可从长圆筒中沿轴向切出宽度为1个单位的圆环建立挠曲线的微分方程式并求解，进而求得长圆筒的临界压力公式。第一节外压容器的稳定性（续）长圆筒的临界压力计算公式：32crD1E2pe对于钢质圆筒（μ=0.3）：30ecrDE22p.30uummDDmmMPaE0e.泊松比，钢材，近似使用外径圆筒的中间面直径，可圆筒的与效直径，模量，设计温度下材料的弹性第一节外压容器的稳定性（续）临界应力（临界压力在圆筒壁中引起的周向压缩应力）：30ee0crcrDE112Dp.适用条件：)(tytpcr（小于比例极限时适用）第一节外压容器的稳定性（续）2.短圆筒的临界压力51000crcrDtDLE301t2Dp..tDLDEt592p002cr.适用条件：)(tytpcr（小于比例极限时适用）临界应力临界压力第一节外压容器的稳定性（续）3.刚性圆筒的临界压力失效主要是强度破坏，强度校核公式与内压圆筒相同。其最大外压力为：itSpD2emaxmmMPammMPapitS圆筒的内直径，极限，材料在设计温度的屈服圆筒的有效厚度，压力，圆筒所能承受的最大外Demax第一节外压容器的稳定性（续）形状缺陷对圆筒稳定性的影响圆筒形状缺陷：不圆局部区域中的折皱、鼓胀、凹陷影响:内压下，有消除不圆度的趋势外压下，在缺陷处产生附加的弯曲应力圆筒中的压缩应力增加临界压力降低实际失稳压力与理论结果不能很好吻合；工程应用对圆筒的初始不圆度严格限制。（1）长圆筒临界压力与圆筒的计算长度无关（2）长圆筒抗失稳能力与E有关，而强度上的承压能力与σS有关用高强度钢代替低强度钢，只能提高圆筒的强度，而不能提高其抗失稳能力（3）对于薄壁圆筒，使长圆筒失稳的压力（Pcr）远远小于使长圆筒屈服的压力（PS），即失稳破坏限于强度破坏。第一节外压容器的稳定性（续）30crDtE22P)(.)(0SSDt2P注意第一节外压容器的稳定性（续）其他回转壳体的临界压力经典公式：22132RtEpcr3.0221.1RtEpcr1.半球壳第一节外压容器的稳定性（续）2.碟形壳：22132RtEpcr221.1RtEpcr同球壳计算，但R用碟形壳中央部分的外半径RO代替同碟形壳计算，RO=K1DO钢材：3.椭球壳：第一节外压容器的稳定性（续）5.259.2LeLecrDtDLEp注意：Le——锥壳的当量长度；DL——锥壳大端外直径DS——锥壳小端外直径Te——锥壳当量厚度costte锥壳上两刚性元件所在处的直径适用于：o60o60按平板计算，平板直径取锥壳最大直径4.锥壳第一节外压容器的稳定性（续）第一节外压容器的稳定性（续）塔受风载时，迎风侧产生拉应力，而背风侧产生压缩应力，当压缩应力达到临界值时，塔就丧失稳定性。受内压的标准椭圆形封头，在赤道处为压应力,可能失稳。除受外压作用外，只要壳体在较大区域内存在压缩薄膜应力，也有可能产生失稳。不仅受外压的壳体可能失稳，受内压的壳体也可能失稳。例如：其它失稳举例：第一节外压容器的稳定性（续）三、临界长度与计算长度如何区别长圆筒和短圆筒。则需要有一个长度的界限。我们用临界长度Lcr做为长、短圆筒的区别界限。若L＞Lcr属于长圆筒；若L＜Lcr则属于短圆筒。外压圆筒的计算长度L是指简体上相邻两个刚性构件之间的最大距离。端盖、法兰，加强圈都是刚性构件。第一节外压容器的稳定性（续）1.临界长度长圆筒与短圆筒临界长度e00crDD171L.20ee00cr2ecrDE22DDLE592p)(..长圆筒短圆筒第一节外压容器的稳定性（续）短圆筒与刚性圆筒临界长度000'2259.2DDDLEptSeecrecre0tSecrDE31L.'短圆筒刚性圆筒第一节外压容器的稳定性（续）圆筒类型的判据长圆筒短圆筒刚性圆筒crLLcrcrLLL''crLL2.计算长度计算长度——筒体上相邻两个刚性构件（封头、法兰、支座、加强圈等均可视为刚性构件）之间的最大距离。计算时可根据以下结构进行确定。第一节外压容器的稳定性（续）2.计算长度（续）第一节外压容器的稳定性（续）第一节外压容器的稳定性（续）第二节外压圆筒与球壳的图算法一、算图中的符号说明二、外压圆筒的图算法三、外压球壳的图算法第二节外压筒球壳的图算法（续）外压圆筒与球壳壁厚计算，除可以采用解析法确定以外，还可以采用图算法来计算，我国GB150—1998《钢制压力容器》规定外压容器设计采用图算法。图算法比较简单、它对于长、短圆筒、球壳以及对于弹塑性变形范围内的稳定问题都适用。图表是以米赛斯公式为基础作出的。第二节外压筒球壳的图算法（续）mpcr①假设筒体的名义厚度δn；②计算有效厚度δe；③求出临界长度Lcr，将圆筒的外压计算长度L与Lcr进行比较，判断圆筒属于长圆筒还是短圆筒；④根据圆筒类型，选用公式计算临界压力Pcr；⑤选取稳定性安全系数m，计算许用外压[p]=⑥比较设计压力p和[p]的大小。若p小于等于[p]且较为接近，则假设的名义厚度δn符合要求；否则应重新假设δn，重复以上步骤，直到满足要求为止。特点：反复试算，比较繁琐。解析法设计步骤：中的中面直径D、厚度t相应改为外径Do、有效厚度δe，得：32.2DtEpcrtDLDEtpcr259.2将式算图来源:假设：圆筒仅受径向均匀外压，而不受轴向外压，与圆环一样处于单向（周向）应力状态。第二节外压筒球壳的图算法（续）图算法原理：（标准规范采用）3)(2.2oecrDEp长圆筒临界压力2.50.5δ()2.59δ0.45()eocreooDpELDD短圆筒临界压力第二节外压筒球壳的图算法（续）eocrcrDp2圆筒在pcr作用下，产生的周向应力不论长