过程设备设计第四章(4.3.2.4)

1过程设备设计4.3常规设计4.1概述4.2设计准则4.3常规设计4.4分析设计4.5疲劳分析4.6压力容器设计技术进展4.3.3封头设计4.3.4密封装置设计4.3.5开孔和开孔补强设计4.3.6支座和检查孔4.3.7安全泄放装置4.3.2圆筒设计4.3.1概述4.3.8焊接结构设计4.3.9压力试验24.3.2.1筒体结构4.3.2.2内压圆筒的强度设计4.3.2.4外压圆筒设计4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3常规设计4.3.3封头设计4.3.4密封装置设计4.3.5开孔和开孔补强设计4.3.6支座和检查孔4.3.7安全泄放装置4.3.2圆筒设计4.3.1概述4.3.8焊接结构设计4.3.9压力试验3过程设备设计4.3.2.4外压圆筒设计工程设计方法主要内容加强圈的设计计算有关设计参数的规定圆筒轴向许用应力的确定图算法原理4设计方法:解析法图算法设计原则:crpppm不失稳设计实质:稳定性问题crpL计，5过程设备设计一、解析法设计步骤：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然后根据圆筒类型，选用相应公式计算临界压力Pcr；⑤再选取合适的稳定性安全系数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。6过程设备设计中的中面直径D、厚度t相应改为外径Do、有效厚度δe，得：32.2ocrDtEptDLDEtpOOcr259.2二、图算法原理：（标准规范采用）将式（2-92）（2-97）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。7过程设备设计3)(2.2oecrDEp长圆筒临界压力2.50.5δ()2.59δ0.45()eocreooDpELDD短圆筒临界压力eocrcrDp2圆筒在pcr作用下，产生的周向应力不论长圆筒或短圆筒，失稳时周向应变（按单向应力时的虎克定律）为：为避开材料的弹性模量E（塑性状态为变量），采用应变表征失稳时的特征：eocrcrcrE2DpE（4-21）8过程设备设计20)(1.1ecrD将长、短圆筒的pcr公式分别代入应变式中，得长圆筒（4-22）5.15.0)()(45.03.1eoeoocrDDDL短圆筒（4-23）)/D,D/L(feoocr（4-24）9过程设备设计令A=εcr，以A作为横坐标，L/Do作为纵坐标，Do/δe作为参量绘成曲线；见图4-6径向受均匀外压，径向和轴向受相同外压的圆筒：（1）几何参数计算图：L/Do—Do/δe—A关系曲线适用：与材料弹性模量E无关，对任何材料的筒体都适用。讨论：长圆筒——与纵坐标平行的直线簇，失稳时周向应变A与L/Do无关；短圆筒——斜平行线簇，失稳时A与L/Do、Do/δe都有关。拐点——Lcr/Do之比值。用途：()oecrDDA查o已知L、1011过程设备设计由L/Do，Do/δe——图4-6——周向应变A——找出A与pcr的关系——判定筒体在操作外压力下是否安全。临界压力pcr，稳定性安全系数m，许用外压力[p]，故pcr=m[p]（2）厚度计算图（不同材料）：B—A关系曲线代入式（4-21）整理得：2crcrocrepDEE（4-21）eocrE2D]p[mcreoEm2]p[D即查12过程设备设计eoD]p[令B=，GB150，ASMEⅧ-1均取m=3，代入上式得：crcr32E32B（4-25）由该试建立B与A的关系图以A作为横坐标，B作为纵坐标，材料温度线作为参量绘成曲线：见图4-7～4-9实质:反映关系，按材料的拉伸曲线在纵坐标方向按2/3比例缩小绘制而成。23crcr13讨论：a.不同材料拐点不同∴不同材料有不同曲线()sBfA、b.温度不同拐点不同∴同一种材料有一簇曲线()sBfA、c.()BfA,,,,,,tpcrtpcrtEconstEconst斜直线是弹性失稳曲线是非弹性失稳＜＞适用：对弹性失稳、非弹性失稳均适用用途：计算oeBpD14过程设备设计图4-7外压圆筒、管子和球壳厚度计算图(屈服点σs＞207MPa的碳素钢和0Cr13、1Cr13钢)图4-7外压圆筒、管子和球壳厚度计算图(屈服点σs＞207MPa的碳素钢和0Cr13、1Cr13钢)15过程设备设计图4-8外压圆筒、管子和球壳厚度计算图(16MnR，15CrMo钢)图4-8外压圆筒、管子和球壳厚度计算图(16MnR，15CrMo钢)16过程设备设计图4-9外压圆筒、管子和球壳厚度计算图(0Cr18Ni9钢)图4-9外压圆筒、管子和球壳厚度计算图(0Cr18Ni9钢)17过程设备设计三、工程设计方法外压圆筒（Do／δe）薄壁圆筒（Do／δe≥20）失稳失稳强度失效Do／δe＝20厚壁圆筒（Do／δe＜20）(图算法设计步骤)18过程设备设计1、Do/δe≥20薄壁筒体：a.假设名义厚度δn，令δe=δn-C，算出L/Do和Do/δe；b.以L/Do、Do/δe值由图4-6查取A值，若L/Do值大于50，则用L/Do=50查取A值；（仅进行稳定性校核）19过程设备设计B按式（4-26）计算许用外压[p]：A在材料线左方时，，按式（4-27）计算许用外压[p]：eoDBpeoDAEp32（4-26）（4-27）c.由材料选——厚度计算图（图4-7～图4-9）温度对应的E线在图上没有时，插值32AEB系数A设计温度根据20图4-10图算法求解过程21过程设备设计d.pc≤[p]且较接近——假设的名义厚度δn合理pc＞[p]——假设δn不合理,重设δn，直到满足比较22过程设备设计求取B值的计算步骤同Do/δe≥20的薄壁筒体；2、Do/δe＜20厚壁筒体:B)0625.0/D25.2(]p[eo为满足稳定性：厚壁圆筒的许用外压力应不低于式（4-29）的计算值。（4-29）（进行稳定性、强度两方面校核）为满足强度：厚壁圆筒的许用外压力应不低于式（4-30）的计算值。)/D11(/D2]p[eoeoo（4-30）防止圆筒体的失稳和强度失效：min(429)p式、(4-30)式23过程设备设计a.按式（4-28）求A值。3、Do/δe＜4厚壁筒体:2eo/D1.1A（4-28）b.然后查B，若有交点，则从图得B值;若无交点，则按下试计算：EAB32c.防止圆筒体的失稳和强度失效：min(429)p式、(4-30)式24过程设备设计解题思路小结：设δn，由L/Do、Do/δe几何算图AB[P]σcr厚度计算图εcr25过程设备设计（1）假设δn，令δe=δn-C，按式（4-31）计算系数A四、圆筒体轴向许用压应力的确定ei/R094.0A（4-31）（2）选用相应材料的厚度计算图查取B，此B值即为[σ]cr。若A值落在设计温度下材料线的左方，则表明筒体属于弹性失稳，可直接由式（4-32）计算。EA32B（4-32）设筒体最大许用压应力[σ]cr=B，求系数B步骤如下：26过程设备设计五、有关设计参数的规定设计参数设计压力稳定性安全系数外压计算长度等27过程设备设计定义与内压容器相同，取值方法不同。外压容器设计压力：考虑正常工作情况下可能出现的最大内外压力差；真空容器设计压力：按承受外压考虑，当装有安全控制装置时（如真空泄放阀），设计压力取1.25倍最大内外压力差或0.1MPa两者中的较小值；当无安全控制装置时，取0.1MPa。带夹套容器:考虑可能出现最大压差的危险工况，如内容器突然泄压而夹套内仍有压力时所产生的最大压差。（1）设计压力28过程设备设计（2）稳定性安全系数①计算公式的可靠性②由于长、短圆筒的临界压力计算公式，是按理想的无初始不圆度求得的。实际上，圆筒在经历成型、焊接或焊后热处理后存在各种原始缺陷，如几何形状和尺寸的偏差、材料性能不均匀性等，都会直接影响临界压力计算值的准确性；③受载可能不完全对称，因而根据线性小挠度理论得到的临界压力与试验结果有一定误差。原因:结论:为此，在计算许用设计外压时，必须考虑一定的稳定性安全系数m。29过程设备设计GB150规定：圆筒体，m取3.0；球壳，m取14.52。特殊要求：形状偏差（取m＝3的同时）如GB150规定，受外压及真空的圆筒体在同一断面一定弦长范围内，实际形状与真正圆形之间的正负偏差不得超过一定值，具体规定可参见文献[1]。30过程设备设计（3）外压计算长度计算长度：筒体外部或内部两相邻刚性构件之间的最大距离，通常封头、法兰、加强圈等均可视为刚性构件。图4-11为外压计算长度取法示意图。取法：计入直边段＋封头曲面深度的三分之一；（由于这二种封头与圆筒体对接时，在外压作用下，封头的过渡区产生环向拉应力，因此在过渡区不存在外压失稳问题，所以可将该部位视作圆筒的一个顶端）。椭圆形封头、碟形封头31过程设备设计图4-11hi/3hi/3hihiLLLLLLhi/3hihi/332过程设备设计六、加强圈的设计计算将长圆筒转化为短圆筒，可以有效地减小筒体厚度、提高筒体稳定性，即目的加强圈设计加强圈的间距截面尺寸结构设计crLp，33过程设备设计当圆筒的δe/Do已知，且计算外压pc值给定时，可由短圆筒许用外压力计算公式导出加强圈的最大间距，即1.加强圈的间距设置加强圈，必须使其属于短圆筒才有实际作用。tDLDEt59.2poo2cr5.2max)/(6.2eOcoDmpEDL（4-33）结论：加强圈数量增多，Lmax值减小,筒体厚度减薄；反之，筒体厚度须增加。34过程设备设计2.加强圈截面尺寸的确定⑵方法思路：⑴目的：增强筒壁截面的抗弯曲能力I——保持稳定时加强圈和圆筒体组合段所需的最小惯性矩Is——加强圈与当量圆筒实际所具有的组合惯性矩假设：a.加强圈为一受外压圆环b.每个加强圈承受两侧LS/2范围内的载荷,实际：则外载全部由加强圈承担理论上I共同算筒体承外载组合段所需加强圈校核：满足Is大于并接近I350δesssspcr36保持稳定时加强圈和圆筒体组合段所需的最小惯性矩I：A9.10)L/A(LDIsses2o（4-38）⑶推导：略Ls——从加强圈中心线到相临两侧加强圈中心线距离之和的一半，与凸型封头相邻，在长度中还应计入封头曲面深度的1/3，mmAs——单个加强圈的截面积mm2，手册查得A——系数，按下述方法求得37A——系数根据已知的Pc、Do和选择的δe、Ls，按下式计算当量圆筒周向失稳时的B值：sseocyocLADpDpB/（4-39）如果查图时无交点，则EBA23A带入(4-38)式中，就得到I。按相应材料的厚度计算图，由B查A。38I2—圆筒形壳体对其形心轴—的惯性矩As—加强圈的截面积Ac—圆筒有效宽度内的截面积，Ac=2bδeb—圆筒有效宽度，b=0.55a1—加强圈形心轴—至组合截面形心轴—的距离a2—组合截面形心轴—至圆筒截面形心轴—的距离加强圈与当量圆筒实际所具有的组合惯性矩Is：1x1x2x2xxx2a1abbn222210aAIaAIIcssI0—加强圈对其形心轴—的惯性矩1x1x2x2xeD01x1x1x1xxx2x2x39过程设备设计⑷计算步骤：sseocyocLADpDpB/（4-39）b.假设加强圈的个数与间距Ls(Ls≤Lmax)d.根据已知的pc、Do和选择的δe、Ls，按下式计算当量厚度筒体周向失稳时的B值，a.由(4-33)式→算Lmaxc.选择加强圈尺寸（可按型钢规格），计算或由手册查得As，并计算加强