Transcript 5章教案外压圆筒与封头

第五章 外压容器之圆筒及封头的设计
5.1 概述
5.1.1.外压容器的失稳
均匀外压——容器壁
内产生压应力；
外压在小于一定值时
——保持稳定状态；
外压达到一定值时，
容器就失去原有稳定性突
然瘪塌，变形不能恢复。
——失稳
1
回忆压杆失稳过程中应力的变化：
※压力小于一定值时，卸掉载荷，压杆恢复原形。
※压力达到一定值时，压杆突然弯曲变形，变形不
能恢复。
※失稳是瞬间发生的，压应力突然变为弯曲应力。
2
外压容器失稳的过程
失稳前，壳壁内存在有压应力，
外压卸掉后变形完全恢复；
失稳后，壳壁内产生了以弯曲
应力为主的复杂应力。
失稳过程是瞬间发生的。
3
4
5
5.1.2 容器失稳型式分类
（1）.侧向失稳
变形：横截面由圆型突变为波形
载荷——侧向外压
6
（2）.轴向失稳
载荷——轴向外压
失稳时经向应力由压应力突变
为弯曲应力。
变形：
7
（3）.局部失稳
载荷：局部压力过大
局部范围的壳体壁内的压
应力突变为弯曲应力。
8
局部失稳：
9
5.2 临界压力
5.2.1 .临界压力概念（pcr)
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。
导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力。
——筒体抵抗失稳的能力。
此时筒壁内存在的压应力称为临界压应力，以σcr表示。
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5.2.2 .影响临界压力的因素
1.筒体材料性能的影响
1）筒体失稳时壁内应力远小于材料屈服点
——与材料的强度没有直接关系。
2）临界压力的计算公式
p cr'
S e 2.5
(
)
Do
t
 2.59 E
L
Do
——与材料的弹性模量（E)和泊桑比(μ)
有直接关系。
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2.筒体几何尺寸的影响
Pcr =500水柱
壁厚为试件（1）的3/5，其他相同
Pcr =300水柱
长度为试件（2）的2倍，其他相同
Pcr =120~150水柱
比试件（3）增加一个加强圈，其他相同
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Pcr =300水柱
序
号
筒径
D
mm
筒长
L
mm
有无
加强圈
壁厚
S
mm
1
2
3
4
90
90
90
90
175
175
350
350
无
无
无
有
0.51
0.3
0.3
0.3
临界压力
pcr
mm水柱
500
300
120~150
300
结论:
1).比较1和2 ，L/D相同时，S/D大者pcr高，；
2).比较3和2 ，S/D相同时，L/D小者pcr高；
3).比较3和4，S/D,L/D相同时，有加强圈者pcr高.
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3.圆筒的椭圆度和材料不均匀性的影响
筒体失稳不是因为它存在椭圆度或材料不
均匀而引起的。但是，筒体存在椭圆度或材
料不均匀，会使其失稳提前发生。
椭圆度e=(Dmax –Dmin)/DN
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5.2.3 长圆筒、短圆筒及刚性圆筒
1.钢制长圆筒 临界压力公式：
2E t S e 3
pcr 
(
)
2
1   DO
钢制圆筒  0.3 则上式成为
Se 3
p cr  2.2 E ( )
Do
t
从上述公式看，影响长圆筒临界压力的因素如
何？
除了与材料物理性质（E,μ）有关外，几何方
面只与径厚比（Se/DO)有关，与长径比（L/DO)
无关。
试验结果证明：长圆筒失稳时的波数为2。
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2.钢制短圆筒
临界压力公式：
L为计算长度
p cr'
S e 2.5
(
)
Do
t
 2.59 E
L
Do
从公式看，短圆筒临界压力大小
与何因素有关？
除了与材料物理性质有关外，
与圆筒的厚径比和长径比均有关。
试验结果证明：短圆筒失稳时
的波数为大于2的整数。
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3.刚性圆筒
刚性圆筒——不会因失稳而破坏。
破坏形式是强度破坏，即压缩应力
σs
许用外压力计算公式为：
2S e[ ]t压
[ pW ] 
Di  S e
[ ]  材料在设计温度下的许用压应力
t
压
取[ ]t压   st / 4
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4 .临界长度
介于长圆筒与短圆筒之间，介于短圆筒与刚性圆
筒之间的长度均称为临界长度。
确定临界长度的方法：
由长圆筒的临界压力等于短圆筒的临界压力
——长圆筒与短圆筒之间的临界长度为：
Lcr  1.17 Do
Do
Se
——短圆筒与刚性圆筒之间的临界长度L’cr 。
计算长度L＞Lcr时，圆筒为长圆筒；
L’cr＜L＜Lcr 为短圆筒；
L＜L’cr 时为刚性圆筒。
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5. 计算长度的确定
（1）有加强圈的筒体取相邻两加强圈的间距。
（2）与凸形封头相连的筒体，计算长度计入封头
内高度的1/3。
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5.3 外压圆筒的工程设计
5.3.1.设计准则
设计时必须保证计算压力满足下式：
pcr
pc  [ p ] 
m
式中m——稳定安全系数。
圆筒、锥壳取3.0；
球壳、椭圆形及碟形封头取15。
m的大小取决于形状的准确性（加工精度） 、载
荷的对称性、材料的均匀性等等。
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5.3.2 外压圆筒壁厚设计的图算法
1.算图的由来
思路：由已知条件（几何条件：L/D ,D /S
o
o
e
以及材质，设计温度）
确定许用外压力[p]，
判断计算压力是否满足：
pc  [ p]
几何条件
稳定条件
ε
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1）确定ε~几何条件关系
2E t S e 3
pcr 
(
)
2
1   DO
 cr 
Pcr D0
2 Se
S e 2.5
( )
'
t Do
p cr  2.59 E
L
Do
 
 cr
E
t
2
 Se 


长圆筒


1
.
1
得到如下关系式：
D 
 0

1.5
 S

e 



 D 
0

短圆筒   1.3
L
——得到“ε~几何条件”关系
D
0
22
2).确定 ~  p 关系
 cr
p cr Do
  t 
t
E
2S e E
p cr
已知[p] 
，p cr  m[ p ]
m
m[ p ]Do
则 
t
2S e E
Se
2 t
[ p]  ( E  )
m
Do
Se
2 t
令B 
E  则[ p ]  B
m
Do
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第一步：由几何参数：L/DO和Do/Se，确定筒体应变值ε。
作得如下算图1：
 Se
长圆筒   1.1
D
 0






S
2




1.5

e 

D 
0
短圆筒   1.3
L
D
0
思考题：曲线中平行于纵轴的直线部分是什麽圆筒？
倾斜部分？拐角部分？
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第二步：由应变值ε，根据
不同的材料及不同的设计温
度，确定B值。公式为：
2 t
B E 
m
注意！ 弹性模量E随材料
及其温度而变化。
第三步：
根据B值，确定许用外压。
公式为：
Se
[ p]  B
Do
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2.外压圆筒和管子厚度的图算法
对于DO/Se≥20的圆筒和管子：
（1）假设Sn,则Se=Sn-C,计算L/Do,Do/Se；
（2）根据L/Do,Do/Se，查图5-5，确定系数A(ε)；
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（3）根据系数A,查图5-7~图5-14——
●A值落在材料线的右方，
做垂线交材料线一点，查
得系数B。
[ p] 
B
Do
(MPa)
Se
●A值落在材料线的左方，
2 AE t
[ p] 
垂线交不到材料线上。
3Do
用下式计算：
Se
(MPa)
（4）比较pc与[p]，若满足pc≤[p]且接近，则设定的Sn
有效。否则，重新设定Sn，重复上述步骤。
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5.3.3 外压容器的压力试验
外压容器和真空容器以内压进行试压。
试验压力：
液压试验：pT = 1.25p
气压试验：p = 1.15p
式中 pT——试验压力，MPa；
p——设计压力，MPa。
T
1.由两个或两个以上压力室组成的容器，
在图纸上要分别注明试验压力，并校核
相邻壳壁在试验压力下的稳定性；
2.压力试验前要校核圆筒试验应力。
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5.4 外压球壳与凸形封头的设计
5.4.1 外压球壳和球形封头的设计
设计步骤：
1.假设Sn，则Se=Sn-C 确定Ro/Se;
2.求A值：
3.查材料线确定B值
若A值落在材料线右侧，许用
外压力为：
0.125
A
Ro / Se
B
P 
R0 / S e
若A值落在线左侧，用公式计算： P  
4.比较，若Pc＞[P],须重新假设
Sn，直到[P]大于并接近Pc。
0.0833E t
 R0 / S e 2
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5.4.2 凸面受压封头设计
球冠形封头、椭圆形封头、蝶形封头——计算步
骤与外压球壳和球形封头一致。
注意：
1.计算方法；
2.半径取值——
球冠形封头取球面内半径；
椭圆封头取当量球壳外半径；
蝶形封头取球面部分外半径。
祥见教材表5-2。
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5.5 外压圆筒加强圈的设计
5.5.1 加强圈的作用与结构
一.加强圈的作用
( Se Do )
p  2.59 E
L Do
由短圆筒的临界压力公式：
'
cr
t
可知在圆筒的Do、Se是确定的情况下， 减
小L值，可提高临界压力 ，从而提高许用操作
外压力。
——加强圈的作用：
缩短圆筒计算长度，提高圆筒刚度。
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2.5
二.加强圈的结构
1.加强圈的抵抗外压能力——抗弯能力
有抵抗能力的部分：
加强圈和圆筒有效段。
32
2.加强圈的结构形式
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5.5.2 加强圈的间距
由钢制短圆筒临界压力公式：
p  2.59 E
'
cr
式中 Ls——作为加强圈间距 mm
(
t
Se
D0
Ls
) 2.5
D0
当D0和Se已定，所需加强圈最大间距为：
D0  Se 


Ls  0.86 E
p  D0 
2. 5
t
加强圈个数：
n = ( L / Ls ) - 1
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5.5.3 加强圈与筒体的连接
加强圈安装在筒体外面：
加强圈安装在筒体内部：
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加强圈与筒体的连接
间断焊
——见GB150规定。
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例题1
设计常压蒸发干燥器。干燥器内径为
500mm，筒身长为3000mm。其外装夹套的内径为
600mm，夹套内通以0.6MPa的蒸汽，蒸汽温度为
160℃。材质均选用Q235-C.设计筒身及夹套的壁
厚。
【解】一.设计干燥器筒身。
1.设计参数：Di=500mm,
L=3000mm,
pc=0.6-0=0.6MPa, C2=2mm
（双面腐蚀），φ=0.8（单面
带垫板对接焊，局部无损检
验）。[σ]=113MPa,
[σ]160=105MPa ，σs=235MPa 。
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2.设计壁厚：（1）.设Sn=8mm,则Se=8-2-0.8=5.2mm
D =500+2*8=516mm, L/D0=3000/516=5.8， DO/Se=99。
O
（2）查图5-5，得A=0.00019 ，查图5-8，B=25MPa 。
（3）[p]=BSe/D =25/99=0.25＜pc
O
稳定性不够，采取加加强圈方法。设
置两个加强圈，则L=3000/3=1000mm .
(1)设壁厚
Sn=8mm,L/DO=1000/516=1.94,D0/Se=99
(2)查图5-5得A=0.00065,查图5-8得B=92。
(3)[p]=BSe/DO=92/99=0.91 ＞pc 且接近。
名义壁厚为8mm
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3.水压试验校核:
PT 1=1.25p=1.25×0.6=0.75MPa
pT 1 ( Di  S e ) 0.75  (500  5.2)
T 

 36.4 (MPa)
2Se
2  5 .2
0.9 s  0.9  235  0.8  169.2 (MPa)
 T  0.9 s
干燥器筒体水压试验合格。
二.蒸汽夹套壁厚设计（内压容器）：
1.设计参数：pc=0.6MPa,
Di=600mm,C2=1mm,
φ=0.8(单面带垫板对接焊，局部无损检测）
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2.计算壁厚：
Sd 
pc Di
0.6  600
 C2 
 1  3.15 (mm)
t
2  105  0.8  0.6
2[ ]   pc
查得C1=0.3mm ,名义壁厚Sn=4mm（满足最小壁厚要求）。
Se=4-1.3=2.7(mm)
3.水压试验校核：
[ ]
113
pT 2  1.25 p
 1.25  0.6 
 0.81 ( MPa )
t
[ ]
105
pT ( Di  S e ) 0.81 (600  2.7)
T 

 90.4( MPa )
2Se
2  2.7
0.9 S  0.9  235  0.8  169.2( MPa )
 T  0.9 S
夹套水压试验合格。pT 2   p , 夹套在水压试验时筒体不会失稳。
40
例题2。设计氧化塔。塔体外设置内径为1米的夹套，材质
为16MnR(GB6654-96),通以2.5MPa的蒸汽加热塔内物料。
塔体内径为800mm,塔段计算长度为2米,最高工作温度为
250℃,塔内操作压力为2.5MPa~3.0MPa 。塔体材料为
16MnR,内加衬里。塔体顶部安装安全阀。确定塔体及夹套
的壁厚。
【解】一.塔体壁厚设计。
1.参数： Di=800mm,L=2000mm, t=250℃,C2=1mm(外壁）,
最高内压Pic=3×1.1=3.3(MPa) ， 最高外压POC=2.5(MPa) ,
φ=0.8(带垫板单面对接焊，局部无损检验），[σ]=170MPa,
[ ]t  156MPa,  s  345MPa
2.按外压确定壁厚：
（1）设Sn=20mm,则Se=20-1-0.25=18.75(mm),Do=840 41mm.
（2）L/DO=2000/840=2.4 , DO/Se=840/18.75=45
查图5-5，A=0.0017,查图5-9，B=115
(3)[P]=115/46=2.5(MPa)
(4) [p]=pc ,满足要求。
3.水压试验校核：PT=1.25p=1.25×2.5=3.125(MPa)
pT ( Di  S e ) 3.125  (800  18.2)
T 

 70.2 (MPa)
2Se
2  18.2
0.9 s  0.9  345  0.8  248.4 (MPa)
 T  0.9 s
水压试验合格。
42
4.内压校核：
pic Di
3.3  800
Sd 
 C2 
 1  10.7(mm)
t
2  156  0.8  3.3
2[ ]   pic
S n  10.7  0.8  11.5(mm) 圆整为12mm 。
塔体壁厚取20mm满足内压要求。
二.夹套壁厚：
1.补充参数：pc=2.5MPa,C2=1mm，Di=1000mm。
2.计算壁厚：
pic Di
2.5 1000
Sd 
 C2 
 1  11.1(mm)
t
2[ ]   pic
2 156  0.8  2.5
S n  11.1  0.25  11.35(mm) 圆整为12mm 。
Se=12-1.8=10.2(mm)
43
3.水压试验校核：
[ ]
170
pT  1.25 p
 1.25  2.5 
 3.4( MPa)
t
[ ]
156
pT ( Di  S e ) 3.4  (1000  10.2)
T 

 168.4 (MPa)
2Se
2 10.2
0.9 s  0.9  345  0.8  248.4 (MPa)
 T  0.9 s
夹套壁厚取12mm。
夹套水压试验压力为3.4MPa，高
于塔体的许用外压2.5MPa。所以，在夹
套做水压试验时，塔体应充以不小于
1MPa的介质内压力。图纸应注明。 44