11-外压容器设计基础

1第11章外压容器设计基础211外压容器设计基础11.1概述1、外压容器的失稳真空储罐夹套反应器311外压容器设计基础（续）外压圆筒筒壁内的压缩应力经常是当其数值还远远低于材料的屈服极限时，筒壁就已经被压瘪或发生褶皱，在一瞬间失去自身原来的形状。弹性失稳——在外压作用下，突然发生的筒体失去原形，即突然失去原来形状稳定性的现象。保证壳体的稳定性是外压容器能正常操作的必要条件4pppabc11外压容器设计基础（续）2、圆筒失稳形式的分类受外压的圆筒——511外压容器设计基础（续）（1）周向失稳（也称侧向失稳）——圆筒由于均匀径向外压引起的失稳。周向失稳时壳体断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形，其波数n可以为2，3，4，……。p611外压容器设计基础（续）（2）轴向失稳——一个薄壁圆筒承受轴向外压，当载荷达到某一数值时，也能丧失稳定性，但在失去稳定时，它仍然具有圆形的环截面，只是破坏了母线的直线性，母线产生了波形，即圆筒发生了褶皱。p711外压容器设计基础（续）（3）局部失稳——局部压力过大，如容器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引起的局部失稳。局部范围的壳体壁内的压应力突变为弯曲应力811外压容器设计基础（续）11.2临界压力1、临界压力——壳体失稳时所承受的相应压力，用pcr表示。临界压应力——筒体在临界压力作用下，筒壁内存在的压应力，以σcr表示。当外压低于临界压力（p＜pcr)时，压缩变形可以恢复当外压等于临界压力（p=pcr）时，壁内压缩应力和变形发生突变，变形不能恢复。911外压容器设计基础（续）长圆筒两端的边界影响可以忽略，压瘪时波数n=2，临界压力pcr仅与δe/Do有关，而与L/Do无关。短圆筒两端的边界影响显著，压瘪时波数为n＞2的正整数,pcr不仅与δe/Do有关，而且与L/Do有关。刚性圆筒壳体的L/Do较小，而δe/Do较大，故刚性较好。破坏原因是由于器壁内的应力超过了材料屈极限所致。计算时只要满足强度要求即可。长圆筒动画短圆筒动画3波短圆筒动画4波2、长、短圆筒和刚性圆筒1011外压容器设计基础（续）3、临界压力的理论计算公式（1）长圆筒临界压力可由圆环的临界压力公式推得，即30212DEpecr302.2DEpecr3.02001.12DEDpeecrcr与圆筒的材料和δe/Do有关，而与圆筒的长径比L/Do无关。1111外压容器设计基础（续）（2）短圆筒05.2059.2DLDEpecr与圆筒材料和圆筒的有效厚度与直径之比δe/Do，圆筒的长径比L/Do有关05.1003.12DLDEDpeecrcr1211外压容器设计基础（续）（3）刚性圆筒由于厚径比δe/Do较大，而长径比L/Do较小，一般不存在因失稳而破坏的问题，只需要校验其强度是否足够就可以。其强度校验公式与计算内压圆筒的公式是一样的，即teeicDp压＜2eiteDp压2or1311外压容器设计基础（续）4、影响临界压力的因素（1）筒体几何尺寸的影响比较①和②：当L/D相同时，δ/D大者临界压力高。比较②和③：当δ/D相同时，L/D小者临界压力高。比较③和④：当δ/D相同时，有加强圈者临界压力高。临界压力1411外压容器设计基础（续）（a）筒壁的δ/D越大，筒壁抵抗弯曲的能力越强。所以，δ/D大者，圆筒的临界压力高。（b）封头刚性较筒体高，圆筒承受外压时，封头对筒壁能起一定支撑作用，但随着圆筒几何长度的增加而减弱。当圆筒的δ/D相同时，筒体短者临界压力高。1511外压容器设计基础（续）（c）当圆筒长度超过某一限度后，封头对筒壁中部支撑作用全部消失，圆筒pcr降低。为不改变圆筒总长度的条件下，提高pcr，可在筒体外壁（或内壁）焊上足够大的刚性加强圈，使原来得不到封头支撑作用的筒壁。当筒体的δ/D和L/D值均相同时，有加强圈者临界压力高。1611外压容器设计基础（续）当筒体焊上加强圈后，原筒体的总长度对计算临界压力没有直接意义。计算长度是指两相邻加强圈的间距，对与封头相联的那段筒体来说，应把凸形封头中的1/3的凸面高度计入。1711外压容器设计基础（续）（2）筒体材料性能的影响圆筒失稳时，绝大多数情况下，筒壁内应力并没有达到材料的屈服极限。筒体几何形状突变，并非由于材料的强度不够而引起的。筒体的临界压力与材料的屈服极限没有直接关系。材料弹性模量E和泊松比μ值大，其抵抗变形的能力就强，故临界压力也就高。但由于各种钢材的E和μ值相差不大，故选用高强度钢代替一般碳钢制造外压容器，并不能提高筒体的临界压力。30212DEpecr05.2059.2DLDEpecr1811外压容器设计基础（续）（3）筒体椭圆度和材料不均匀的影响稳定性的破坏并不是由于壳体存在椭圆度或材料不均匀而引起的。即使壳体的形状很精确和材料很均匀，当外压力达到一定数值时，也会失稳，但壳体的椭圆度与材料的不均匀性能使临界压力的数值降低。1911外压容器设计基础（续）椭圆度的定义——e=（Dmax－Dmin）/DNDmax、Dmin——分别为壳体的最大及最小内直径；DN——圆筒的公称直径。2011外压容器设计基础（续）5、临界长度Lcr——长圆筒、短圆筒和刚性圆筒的分界线。当圆筒处于临界长度Lcr时，则用长圆筒公式计算所得临界压力pcr值和用短圆筒公式计算的临界压力pcr值应相等，由此得到长、短圆筒的临界长度Lcr值，即05.203059.22.2DLDEDEcretetecrDDL0017.12111外压容器设计基础（续）同理可得到短圆筒与刚性圆筒的临界长度L’cr值，即005.202259.2DDLDDEteiitecre压压etecrDEL03.1压2211外压容器设计基础（续）——当圆筒的计算长度L＞Lcr时，属长圆筒；——若L’cr＜L＜Lcr时，属短圆筒；——若L＜L’cr时，属刚性圆筒。此外，圆筒的计算方法还与其相对厚度有关。当δe/Do＞0.04时，一般在器壁应力达到屈服极限以前不可能发生失稳现象，故在这种条件下，任何长径比均可按刚性圆筒计算。2311外压容器设计基础（续）11.3外压容器设计方法及要求1、设计准则实践证明，许多长圆筒或管子一般压力达到临界值的1/2～1/3时，它们就会被压瘪。在操作时壳体实际所承担的外压也有可能会比计算外压大一些。故为保证不发生失稳破坏，决不能允许在外压等于或接近于临界值时进行操作，必须使许用外压比临界外压力小m倍，即mppcr2411外压容器设计基础（续）稳定安全系数m——决定于圆筒形状准确性、载荷的对称性、材料的均匀性、制造方法及设备在空间的位置等很多因素。GB150—1998《钢制压力容器》规定，取m=3，同时规定对于外压或真空设备的筒体要求其制造的椭圆度不大于0.5%。设计时，必须使计算外压力pc＜[p]=pcr/m，并接近[p]，则所确定筒体厚度才能满足外压稳定要求。2511外压容器设计基础（续）2、外压圆筒厚度设计的图算法（1）算图的依据圆筒受外压时，其临界压力的计算公式长圆筒短圆筒302.2DEpecr05.2059.2DLDEpecr2611外压容器设计基础（续）临界压力作用下，筒壁产生相应σcr及应变ε为ecrcrDp20EDpEecrcr20201.1De05.10'3.1DLDecrcrpp',2711外压容器设计基础（续）外压圆筒失稳时，筒壁的环向应变值与筒体尺寸（δe，Do，L）之间的关系，即对于一个厚度和直径已经确定的筒体（即该筒的Do/δe值一定）来说，筒体失稳时的环向应变ε值将只是L/Do的函数，不同的L/Do值的圆筒体，失稳时将产生不同的ε值。00,DLDfe2811外压容器设计基础（续）横坐标——ε(系数A)纵坐标——L/Do长圆筒—垂直线簇短圆筒—斜平行线簇转折点—临界长度2911外压容器设计基础（续）现在，希望利用曲线解决的问题是：一个尺寸已知的外压圆筒，当它失稳时，其临界压力是多少；为保证安全操作，其允许的工作外压是多少?EDpmEDpEeecrcr220002DEmpemppcrpmpcr3011外压容器设计基础（续）——对于一个已知厚度δe与直径Do的筒体，其允许工作外压[p]等于B乘以δe/Do，要想从ε找到[p]，首先需要从ε找出B。于是问题就变为如何从ε找出B。BEm20DBpe令3111外压容器设计基础（续）EEm322横坐标——ε(系数A)纵坐标——B=[p](Do/δe)温度不同时材料E值不一样不同温度不同B=f(ε)曲线钢材E值相近,B=f(ε)曲线中直线段的斜率，对大部分钢材相近3211外压容器设计基础（续）但钢材种类不同时，其比例极限和屈服极限差别很大。体现在在B=f(ε)曲线的转折点位置以及转折点以后的曲线走向，故对于B=f(ε)曲线来说均有其适用的σ范围。图11-7～10给出常用材料的B=f(ε)，即B=f(A)曲线。3311外压容器设计基础（续）3411外压容器设计基础（续）3511外压容器设计基础（续）3611外压容器设计基础（续）3711外压容器设计基础（续）（2）外压圆筒和管子厚度的图算法①（Do/δe）≥20的圆筒和管子1假设δn，令δe=δn－C，定出L/Do和Do/δe；2在图11-5的左方找到L/Do值，过此点沿水平方向右移与Do/δe相交（遇中间值用内插法）；若L/Do值50，则用L/Do=50查图若L/Do值0.05，则用L/Do=0.05查图3811外压容器设计基础（续）3过此交点沿垂直方向下移，图下方得到系数A；4按所用材料选用图11-7~10,在图下方找到系数A；5[p]应≥pc，否则须再假设δn，重复上述计算，直到[p]大于且接近于pc为止（pc为计算外压力）。若A值落在设计温度下材料线的右方，则过此点垂直上移，与设计温度下的材料线相交（遇中间温度值用内插法），再过此交点水平方向右移，在图的右方得到系数B，并按式（11-13）计算许用外压力[p]eDBp0若所得A值落在左方，则用计算许用外压力[p]etDAEp0323911外压容器设计基础（续）②（Do/δe）＜20的圆筒和管子1用与Do/δe≥20时相同的步骤得到系数B值，但对（Do/δe）＜4.0的圆筒和管子应按下式计算A值系数A＞0.1时，取A=0.1201.1eDA4011外压容器设计基础（续）2按下式计算许用外压力[p]式中，σ0表示应力，取以下两值中的较小值eeeDDBDp0000112,0625.025.2min2.009.0,2mintSt3[p]应≥pc，否则再假设δn重复上述计算，直到[p]大于且接近pc为止。4111外压容器设计基础（续）3、外压圆筒厚度表为减少设计计算，将外压圆筒按其公称直径、长径以及设计外压不同，将其厚度算出并列成表格。真空设备的筒体厚度可查表11-2。4211外压容器设计基础（续）带夹套的反应釜的厚度可查表11-3。在利用这些表时，必须特别注意各表的应用条件。4311外压容器设计基础（续）11.4外压球壳与凸形封头的设计1、外压球壳的设计外压球壳所需的有效厚度按以下步骤确定：①假设δn，令δe=δn－C，定出Ro/δe；②用下式计算系数AeRA0125.04411外压容器设计基础（续）③按所用材料选用图11-7～10,在图下方找到系数A；若A值落在设计温度下材料线的右方，则