第15章-外压容器设计

第十五章外压容器设计15.1概述一、外压容器的失效形式◆基本概念●外压容器：容器外部压力大于内部压力。●失效：容器失去了正常的工作能力。◆外压容器的失效形式●外压容器的失效一是强度不够，二是稳定性不足。外压薄壁容器失稳是主要的失效形式。二、外压容器的失稳过程◆失稳的概念容器强度足够却突然失去了原有的形状，筒壁被压瘪或发生褶绉，筒壁的圆环截面一瞬间变成了曲波形。这种在外压作用下，筒体突然失去原有形状的现象称弹性失稳。容器发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作，造成容器失效。◆容器失稳形式●侧向失稳由于均匀侧向外压引起失稳叫侧向失稳。整体失稳局部失稳侧向失稳轴向失稳●轴向失稳薄壁圆筒承受轴向外压，当载荷达到某一数值时，也会丧失稳定性。失稳，仍具有圆环截面，但破坏了母线的直线性，母线产生了波形，即圆筒发生了褶绉。●局部失稳在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的局部外压也可能引起局部失稳。●容器丧失稳定的条件主要取决于：（1）均布横向压力或轴向压力；（2）薄壁圆筒几何尺寸特征；（3）材料机械性能等。圆筒的外径与有效厚度的比值Do/e；圆筒的长度与外径的比值L/Do；材料的机械性能（主要是弹性模量E、泊松比）◆临界压力的概念临界压力是导致容器失稳的最小外压力。一、临界压力的计算◆影响临界压力的因素临界压力的大小与筒体几何尺寸、材质及结构因素有关。◆外压圆筒形容器的分类：按失稳情形式将外压圆筒分为三类：长圆筒、短圆筒、刚性圆筒15.２外压薄壁圆筒的厚度计算◆临界压力的计算●长圆筒●短圆筒应用以上两式应满足两个条件：＊临界应力＊圆筒的圆度应符合GB150的规定。3)(2.2oecrDEpooecrDLDEp/)/(59.25.2tSeocrcrDp2二、外压圆筒类型的判定◆临界长度计算●临界长度区分不同类型圆筒的特征长度。●临界长度的计算＊区分长圆筒和短圆筒的临界长度LcreoocrDDL17.1●当L≥Lcr时，为长圆筒；●当L≤Lcr时，为短圆筒。三、设计参数◆设计外压力p对外压容器，取不小于正常工作过程中可能产生的最大内外压力差；对真空容器当在容器上装有安全阀时，设计外压力取1.25倍的最大外、内压力差与0.1MPa二者中的小值；当容器未装有安全阀时，设计外压力取0.1MPa。◆试验压力pT外压容器依然以内压力进行压力试验，其试验压力为：●液压试验●气压试验ppT25.1ppT15.1◆计算长度确定●计算长度计算长度是指圆筒上相邻两刚性构件（如封头、加强圈等）的距离。对具有凸形封头无加强圈的圆筒其计算长度L=圆筒长度+两封头直边高度+两封头曲面深度的1/3。●外压圆筒计算长度四、外压薄壁容器不失稳的条件容器的稳定条件为：式中—计算外压力，MPa[p]—许用外压力，MPa.][ppcmppcr][cp五、圆筒壁厚确定的解析法◆圆筒的厚度表达式●长圆筒●短圆筒◆壁厚确定的步骤●确定p、t、C、E、L等相关参数；●假设圆筒的名义厚度，得；3322mm2.22.2crnoopmpDCDCEE0.42mm2.59crnoopLDCEDnCne●计算临界长度并与比较，确定圆筒的类型；●计算、[p]、●比较：若且较接近，则以上假设的满足要求；否则再另设，重复以上各步，直至满足要求为止；●在应用解析法时，临界应力应在弹性范围之内，即crLLcrpcr[]ppn2tcrocrSepD●当时，属非弹性失稳，应改用下列近似公式计算tcrS22MPa1teScrtSepDDE六、圆筒壁厚确定的图算法◆图解法的依据图算法的基础是解析法，将解析法的相关公式经过分析整理，绘制成两张图。一张图反映圆筒受外压力后，变形与几何尺寸之间的关系，称为几何参数计算图，另一张图反映不同材质的圆筒在不同温度下，所受外压力与变形之间关系的图，称为厚度计算图，此图不同的材料有不同的图。◆图算法的步骤利用图算法设计不同类型的圆筒其过程也有所不同，现以Do/e≥20的圆筒为例说明●假设圆筒的名义厚度，得●计算的值；●在几何参数计算图上，由L/Do和Do/δe在横坐标上找到系数A值，若L/DO大于50、用L/DO=50查图，若L/DO小于0.05，用L/DO=0.05查图；●根据圆筒所用材料选厚度计算图，在此图上由上一步所得A值和设计温度t在纵坐标上找到系数B值，并按下式计算许用外压力[p],即nCnenioDD2eooDDL,[]MPa/oeBpD若A值落在设计温度下材料线的左方，则直接用下式计算许用外压力[p],即●比较若[p]p,则以上假设的满足要求,否则重新假设另一较大的，重复以上各步,直至满足要求为止。oeDEAp32][nn受外压力的凸形封头（半球形、椭圆形、碟形），利用图算法按如下步骤确定壁厚。●假设封头的名义厚度，得●计算的值对半球形封头，Ri为半球形内半径；对椭圆形RO=K1Do，K1=0.9；对碟形封头Ri=球面部分内半径。nCneeoRnioRR15.３外压凸形封头的厚度设计●计算临界应变A值●根据圆筒所用材料选厚度计算图，在此图上由上一步所得A值和设计温度t在纵坐标上找到系数B值，并按下式计算许用外压力[p],即若A值落在设计温度下材料线的左方，则直接用下式计算许用外压力[p],即oeRA125.0[]MPaeopBR2[]0.0833()MPaeopER●比较：若[p]≥p,则以上假设的满足要求,否则重新假设另一较大的，重复以上各步、直至满足要求为止。对于承受外压力的锥形壳体，当半顶角α＞60o时，按平封头计算；当α≤60o时，因锥壳与圆筒连接处存在变形不协调而产生的边缘应力，所以在连接处附近圆筒和锥壳都要有足够的刚度，保证其在外压力作用下不会失稳。具体计算方法可参见GB150。