《化工容器及设备》第4单元外压容器课件.ppt

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1、外压容器,化工容器及设备第4单元外压容器课件,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,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 外压容器的稳定性一、外压容器的失稳,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

2、（续）壳体外部压力大于壳体内部压,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） 外压容器薄膜应力计算方法,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）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

3、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）一、外压容器的失稳定义:实质:,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）波纹数n=2波纹数n=3波纹数,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）轴向非对称失稳轴向对

4、称失稳外压,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） 由于薄壁外压容器,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

5、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）弹性失稳：,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）失效形式：轴向载荷周向载荷综合,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）簿壁回转壳体承受均匀外压时，,第一节 外压容器的稳定性（

6、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）临界压力pcr,第一节 外压容器的稳定性（续）,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

7、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）影响波纹数n和临界压力pcr主,第一节 外压容器的稳定性（续）,求 、 、,理想圆柱壳小挠度理论,线性平衡方程和挠曲微分方程；,失稳时圆柱壳体的应力仍 处于弹性范围。,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）求 、,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，

8、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）工程中，在采用小挠度理论分析基,第一节 外压容器的稳定性（续）,外压圆筒的稳定条件,第一节 外压容器的稳定性（续）外压圆筒的稳定条件,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）稳定系数（稳定性安全系数 ）m,

9、第一节 外压容器的稳定性（续）,我国GB 1501998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0.5D（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m3，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）我国GB 1501998钢,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，

10、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）二、外压薄壁圆筒临界压力计算,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，n2。,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（

11、续）外压圆筒分类：L/Do和Do/,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）1. 长圆筒的临界压力,第一节 外压容器的稳定性（续）,长圆筒的临界压力计算公式：,对于钢质圆筒（=0.3）：,第一节 外压容器的稳定性（续）长圆筒的临界压力计算公式：对于,第一节 外压容器的稳定性（续

12、）,临界应力（临界压力在圆筒壁中引起的周向压缩应力）：,适用条件：,（小于比例极限时适用）,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,第一节 外压容器的稳定性（续）,2.短圆筒的临界压力,适用条件：,（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）2.短圆筒的临界压力适用条件：,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：,第一节 外压容器的稳定性（续）3. 刚性圆筒的临界压力,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,圆筒中的压缩应力增加,临界压力降低,

13、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。,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,（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S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）,注意,（1）长圆筒临界压力与圆筒的计算长度无关第一节 外压容器的稳,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：,1. 半球壳,第一

14、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,第一节 外压容器的稳定性（续）,2.碟形壳：,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）2.碟形壳：同球壳计算，但R用,第一节 外压容器的稳定性（续）,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,锥壳上两刚性元件所在处的直径,适用于：,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）注意：Le锥壳的当量长度；,第一节 外压容器的稳定性（续）,第一节 外压容器的稳定性（续）,

15、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） 塔受风载时，迎风侧产生拉应力,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LLcr属于长圆筒；若LLcr则属于短圆筒。外压圆筒的计算

16、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）三、临界长度与计算长度,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,第一节 外压容器的稳定性（续）1. 临界长度长圆筒短圆筒,第一节 外压容器的稳定性（续）,短圆筒与刚性圆筒临界长度,第一节 外压容器的稳定性（续）短圆筒与刚性圆筒临界长度短圆筒,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,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

17、外压容器的稳定性（续）圆筒类型的判据2. 计算长度计,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）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 外压圆筒与球壳的图算法一、算图中的符号说明,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GB 1501998钢制压力容器规定外压容器设计采用图

18、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）外压圆筒与球壳壁厚计算，除可,第二节 外压筒球壳的图算法（续）, 假设筒体的名义厚度n；, 计算有效厚度e；, 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；, 根据圆筒类型，选用公式计算临界压力 Pcr；, 选取稳定性安全系数m，计算许用外压p=, 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n符合要求；否则应重新假设n，重复以上步骤，直到满足要求为止。,特点：反复试算，比较

19、繁琐。,解析法设计步骤 ：,第二节 外压筒球壳的图算法（续） 假设筒体的名义厚度n；,中的中面直径D、厚度t相应改为外径Do、有效厚度e，得：,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）,中的中面直径D、厚度t相应改为外径Do、有效厚度e，得：将,长圆筒临界压力,短圆筒临界压力,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,长圆筒临界压力短圆筒临界压力第二节 外压筒球壳的图算法（续）,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：,

20、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。,代入长、短圆筒临界压力公式,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,圆筒在pcr作用下，不论长圆筒或短圆筒，失稳时周向应变（按单,将长、短圆筒的pcr公式分别代入应变式中，得,长圆筒,短圆筒,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,将长、短圆筒的pcr公式分别代入应变式中，得长圆筒 短圆筒第,令 A=cr， 以A作为横坐标，L/Do作为纵坐标， Do/e作为参量绘成曲线；见图4-4,径向受均匀外压，径向和轴向受相同外压的圆筒：,教材P86,注意,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,（1）几何参数计算图：L/DoDo/eA关系曲线,令 A=

21、cr， 以A作为横坐标，L/Do作为纵坐标，,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,图4-4外压或轴向受压圆筒几何参数计算图,第二节 外压筒球壳的图算法（续）图4-4外压或轴向受压圆筒几,与材料弹性模量E无关，对任何材料的筒体都适用。,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,用途:,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/e 都有关。 拐 点Lcr/Do之比值。,与材料弹性模量E无关，对任何材料的筒体都适用。第二节 外压筒,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,已知：L/Do，Do/e,查几何参数计算图4-4（ L/DoDo

22、/eA关系曲线）,周向应变A（横坐标）,找出A与pcr 的关系（类似：应变应力）,判定筒体在操作外压力下是否安全。,方法思路,（2）厚度计算图（不同材料）：BA关系曲线,第二节 外压筒球壳的图算法（续）已知：L/Do，Do/e查,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,临界压力pcr，稳定性安全系数m，许用外压力p，,代入式,整理得：,第二节 外压筒球壳的图算法（续）临界压力pcr，稳定性安全系,令,GB 150， ASME -1 均取m=3，,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,令GB 150， ASME -1 均取m=3，第二节 外压,由该式建立B与A的关系图,以A作为横坐标，B作为纵坐标，材料温

23、度线作为参量绘成曲线：见图4-54-12,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,由该式建立B与A的关系图以A作为横坐标，B作为纵坐标，第二节,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,a. 不同材料 不同材料有不同曲线,b. 温度不同 同一种材料有一簇曲线,c.,适用：对弹性失稳、非弹性失稳均适用,用途：计算,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,讨论：,a. 不同材料,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,一、算图中的符号说明,第二节 外压筒球壳的图算法（续）一、算图中的符号说明,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,第二节 外压筒球壳的图算法（续

24、）,二、外压圆筒的图算法计算壁厚步骤如下：,第二节 外压筒球壳的图算法（续）二、外压圆筒的图算法外压圆筒,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,1. 的圆筒与管子假设名义壁厚，计算有效壁厚 ，定出长径比L/D0和径厚比D0/e。查图4-4，遇中间值用内插法，查系数A。长径比0.05，取长径比=0.05。按图4-54-12，查系数B。遇中间值用内插法。,第二节 外压筒球壳的图算法（续）1.,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,计算许用外压力p,ppc。否则重新假设名义厚度，重复计算。p计算公式：如果系数A落在设计温度下材料的左方，用公

25、式：,第二节 外压筒球壳的图算法（续）计算许用外压力p,p,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,2. 的圆筒与管子这一类应同时考虑强度和稳定性问题。查出系数B的方法同前，径厚比D0/e4时用公式计算系数A，若A0.1时，取A=0.1：按以下两式计算许用外压力，取其中的较小者。,第二节 外压筒球壳的图算法（续）2.,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,式中应力，取以下两式得较小者：计算许用外压力p,ppc。否则重新假设名义厚度，重复计算。,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,三、外压球壳的图算法1. 球壳的临界压力2. 许用压力p（取稳定系数m=3）,第二节 外压筒球

26、壳的图算法（续）三、外压球壳的图算法,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,3. 外压球壳图算法步骤：假设球壳名义厚度，计算有效厚度，定出R0/e，计算系数A的值：查图4-54-12，得到系数B。按下式计算许用压力p。计算许用外压力p,ppc。否则重新假设名义厚度，重复计算。,第二节 外压筒球壳的图算法（续）3. 外压球壳图算法步骤：,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,如图某一外压圆筒形塔体，工作温度为150，材料为普通碳素钢Q235A，内径Di=1000mm，筒体总长l=6500mm(不包括封头高)，椭圆形封头直边高度h=25mm，曲面深度h1=250mm，设计压力为0.1MPa，C2取1.2m

27、m，无安全控制装置，试计算塔体的壁厚。,第二节 外压筒球壳的图算法（续）如图某一外压圆筒形塔体，工作,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,解: 用图算法进行计算。,假设塔体名义厚度,第二节 外压筒球壳的图算法（续）解: 用图算法进行计算。,第二节 外压筒球壳的图算法（续）,用内插法查图。,根据图44，A=0.00013。,因所用材料为Q235A钢，故选图45,系数A落在设计温度下材料线左方，因此,计算许用外压力p1,因 且接近pc，故假定壁厚符合计算要求，确定塔体壁厚为10mm。,第二节 外压筒球壳的图算法（续）用内插法查图。根据图44,第三节 外压用加强圈计算（续）,考虑的问题,目的,将长圆筒

28、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 比增加圆简壁厚更加经济合理，不仅节省材料，并且可以减轻筒体重量。 可以减少大直径范壁圆筒形状缺陷的影响，提高筒体的刚度。,加强圈设计,第三节 外压用加强圈计算（续）加强圈的间距截面尺寸结构设计考,第三节 外压用加强圈计算（续）,一、加强圈结构及其要求1. 结构,第三节 外压用加强圈计算（续）一、加强圈结构及其要求,第三节 外压用加强圈计算（续）,2. 要求 加强圈应有足够的刚性，常用扁钢、角钢、工字钢或其他类型钢制成。 它可以设置在容器的内部或外部，并应全部围绕容器的圆周。加强圈自身在环向的连接要用对接焊。 加强圈和壳体连接必须足够紧密

29、、在载荷作用下能够共同承受应力，如果不能保证加强圈和壳体一起受力，就会大大降低临界载荷。加强圈与壳体的连接可用连续焊或间断焊。 为了保证壳体及加强圈的稳定性，加强圈不能随意削弱或割断。,第三节 外压用加强圈计算（续）2. 要求,第三节 外压用加强圈计算（续）,3. 焊接（结构）,加强圈与壳体连接结构采用满焊和间断焊,间断焊缝布置如图，间断焊缠之间的间隙为l，对于外加强圈取l8t对于内加强圈取l12t 。间断焊缝可以相互错开或并排布置。,第三节 外压用加强圈计算（续）3. 焊接（结构）,第三节 外压用加强圈计算（续）,第三节 外压用加强圈计算（续）,第三节 外压用加强圈计算（续）,4. 注意的问

30、题, 图示结构的E或F处，截面应具有该圈所需的惯性矩。其大小应以它本身的中性轴来计算。,第三节 外压用加强圈计算（续）4. 注意的问题 图示结构的,第三节 外压用加强圈计算（续）,对于由于种种原因必须削弱或割断的加强圈。需要留出间隙时，如图D及E处，则不应超过规定的弧长如图4-16。否则，应将容器内部和外部的加强圈相邻部分之间接合起来。,第三节 外压用加强圈计算（续）对于由于种种原因必须削弱或割,第三节 外压用加强圈计算（续）,第三节 外压用加强圈计算（续）,第三节 外压用加强圈计算（续）,采用图示C处的结构，外加强圈C处截面应具有加强圈所需要的惯性矩。若能同时满足以下3个条件者除外：圆筒上不

31、受加强圈支撑的弧长不超过900；相邻两个加强圈的不受支撑的圆筒弧长相互交错1800；圆筒计算长度L应取下列数值的较大者：相间隔加强圈之间的最大距离；从封头转角线至第二个加强圈中心的距离再加上1/3封头曲面深度。,第三节 外压用加强圈计算（续）采用图示C处的结构，外加强圈,第三节 外压用加强圈计算（续）,第三节 外压用加强圈计算（续）,第三节 外压用加强圈计算（续）,容器内部的构件如塔盘等，如果与使其起加强作用，可视为加强圈。 装在筒体外部的加强圈其每侧间断焊的总长度不小于筒体外圈周长的二分之一； 加强圈装在筒体内部时，加强圈每侧间断焊的总长不应小于筒体内圆周长的三分之一。,第三节 外压用加强圈

32、计算（续）容器内部的构件如塔盘等，如果,第三节 外压用加强圈计算（续）,二、加强圈的图算法1. 加强圈的间距计算加强圈首先应合理确定加强圈数量及间距L。加强圈间距必须小于式：求得的临界长度Lcr,否则加强圈不会提高圆筒壳的承压能力。,第三节 外压用加强圈计算（续）二、加强圈的图算法,第三节 外压用加强圈计算（续）,对于筒体若仅受均布外压力作用，且在弹性失稳范围内，用拉姆近似公式求得加强圈的最大间距：,加强圈的实际间距LsLmax是合适的,第三节 外压用加强圈计算（续）对于筒体若仅受均布外压力作用，,第三节 外压用加强圈计算（续）,2. 加强圈的计算加强圈与圆筒一样，本身也有稳定性问题。计算步骤

33、为：初定数量和间距，使LsLmax；选择材料，初定截面尺寸，计算截面面积As和加强圈与圆筒有效组合截面的惯性矩Ia；用下式计算B值；,第三节 外压用加强圈计算（续）2. 加强圈的计算,第三节 外压用加强圈计算（续）,使用计算图4-5图4-12，查出系数A；若图中无值，则按下式计算：用下式计算加强圈与圆筒的组合段所需的惯性矩：IsI为合适，否则重复计算。,第三节 外压用加强圈计算（续）使用计算图4-5图4-12,第三节 外压用加强圈计算（续）,3. 计算公式中的符号说明,第三节 外压用加强圈计算（续）3. 计算公式中的符号说明,第三节 外压用加强圈计算（续）,加强圈与圆筒焊成一个整体，与圆筒一样

34、受径向外压作用，故安全条件仍然是保证不丧失稳定。在进行加强圈计算时，可认为加强圈与部分壳体共同承受圈两侧各L/2范围内的外压载荷(见图)。,第三节 外压用加强圈计算（续）加强圈与圆筒焊成一个整体，与圆,第三节 外压用加强圈计算（续）,筒体有效段的长度范围为2b(计算截面面积As)，GB 150-1998规定，加强圈中心线两侧有效长度：相邻部分有重叠时每侧按1/2计算。,第三节 外压用加强圈计算（续）筒体有效段的长度范围为2b(计,第三节 外压用加强圈计算（续）,4. 组合惯性矩的计算步骤：计算组合段，加强圈和筒体的有效截面面积；加强圈面积AS用型材时可查手册，筒体面积A2按式计算：计算加强圈和

35、筒体的有效段惯性矩，加强圈惯性矩I1用型材时可查手册，筒体惯性矩I2利用力学知识计算。,第三节 外压用加强圈计算（续）4. 组合惯性矩的计算步骤：,第三节 外压用加强圈计算（续）,计算组合截面形心轴位置；计算组合截面实际惯性矩Ia；,C加强圈形心位置至圆筒壁厚中心线的距离。,d加强圈形心轴x0-x0与组合截面形心轴x-x之间的距离d=c-a。,第三节 外压用加强圈计算（续）计算组合截面形心轴位置；C,第三节 外压用加强圈计算（续）,第三节 外压用加强圈计算（续）,第三节 外压用加强圈计算（续）,例题4-2,在例题4-1中，若将筒体的名义壁厚减至6mm，并设置加强圈。加强圈采用热轧等边角钢，试计

36、算确定所得加强圈数目及尺寸。,解： (1)计算加强圈数目,稳定系数m3，钢材设计温度下的弹性模量,第三节 外压用加强圈计算（续）例题4-2 在例,第三节 外压用加强圈计算（续）,计算加强圈的最大间距,计算加强圈数目n（设置n个加强圈，将筒体分为n+1段）,第三节 外压用加强圈计算（续）计算加强圈的最大间距计算加强圈,第三节 外压用加强圈计算（续）,故n3（即用3个加强圈，将筒体分成4段）,加强圈的间距,(2)计算加强圈尺寸,选用40404的等边角钢,查型钢规格表得,第三节 外压用加强圈计算（续）故n3（即用3个加强圈，将筒,第三节 外压用加强圈计算（续）,计算系数B值,计算系数A的值,计算加强

37、圈与圆筒组合段所需的惯性矩,第三节 外压用加强圈计算（续）计算系数B值计算系数A的值计算,第三节 外压用加强圈计算（续）,(3)计算组合截面实际惯性矩,圆筒有效段的截面积,圆筒有效段的惯性矩,由图4-19可知,第三节 外压用加强圈计算（续）(3)计算组合截面实际惯性矩圆,第三节 外压用加强圈计算（续）,确定组合截面形心轴x-x的位置,计算组合截面实际惯性矩,故原选40404的等边角钢可用,因,第三节 外压用加强圈计算（续）确定组合截面形心轴x-x的位置,第四节 外压封头计算,一、外压凸形封头二、外压锥形封头三、压力试验,第四节 外压封头计算一、外压凸形封头,第四节 外压封头计算（续）,外压容器

38、封头,类型和结构与内压容器相同。,在外压达到某一临界压力时，封头也要失稳。外压封头设计主要考虑稳定性问题。,形状、材料等初始缺陷对封头的稳定性有显著的影响。,成形封头的壳体失稳研究在理论和实验上比圆筒复杂得多。,外压封头的稳定性计算建立在球形壳体承受均布外压的弹性失稳分桥基础上，并结合实验数据给出半经验的临界压力计算公式，但是将它们直接用于设计还欠成熟。因此设计中仍采用一些近似方法。,第四节 外压封头计算（续）外压容器封头类型和结构与内压容,第四节 外压封头计算（续）,一、外压凸形封头1.外压球形封头根据小挠度弹性稳定理论得到的球壳临界压力公式为：,式中 R球壳中面的半径，mm t球壳的计算壁

39、厚，mm,对钢制球壳，取u0.3，代入上式得：,第四节 外压封头计算（续）一、外压凸形封头式中 R球壳,第四节 外压封头计算（续）,由于实际临界压力仅为理论临界压力的1/41/6，我国的GE 1501998钢制压力容器对外压球壳取稳定系数m14.52。得许用压力为：,设计压力pp 时、由上式得球壳壁厚为:,第四节 外压封头计算（续）由于实际临界压力仅为理论临界压力,第四节 外压封头计算（续）,图算法,第四节 外压封头计算（续）图算法,第四节 外压封头计算（续）,第四节 外压封头计算（续）,第四节 外压封头计算（续）,2. 椭圆形封头,外压椭圆形封头的Ri为当量曲率半径： Ri=K1D0 ，K1

40、是椭形长短轴比值决定的系数其值见表41（遇中间值用内插法求得）。,外压稳定性计算公式和图算法步骤同受外压得半球形封头,曲率半径沿经线是变化的，在中心处，曲率半径最大，按最大曲率半径计算则过于保守，离开中心线则曲率半径减少，壳体刚性增大，稳定性提高。,不同点,类似半球形封头,第四节 外压封头计算（续）2. 椭圆形封头外压椭圆形封头的R,第四节 外压封头计算（续）,第四节 外压封头计算（续）,第四节 外压封头计算（续）,3. 碟形封头外压球壳的设计计算公式及图算法也适用于外压碟形封头，但取球面部分的外半径。,第四节 外压封头计算（续）3. 碟形封头,第四节 外压封头计算（续）,二、外压锥形封头受外

41、压的锥形封头及锥形简体，包括无折边及折边锥壳，在数学、力学上是一个非常复杂的问题，工程上依赖于试验结果，根据锥壳半顶角的大小分别按圆筒和平盖进行计算，所需壁厚按如下方法确定：1. 半顶角600度的锥壳按当量圆筒进行计算，该圆筒的壁厚，等于锥壳的有效壁厚te：,圆筒长度即为锥壳的当量长度Le。,第四节 外压封头计算（续）二、外压锥形封头圆筒长度即为锥壳的,第四节 外压封头计算（续）,无折边锥壳和锥壳上相邻的两加强圈之间的锥壳段，计算公式：,当量长度Le,第四节 外压封头计算（续）无折边锥壳和锥壳上相邻的两加强圈,第四节 外压封头计算（续）,大端折边的锥壳，计算公式：,当量长度Le,第四节 外压封

42、头计算（续）大端折边的锥壳，计算公式：当量长,第四节 外压封头计算（续）,小端折边的锥壳，计算公式：,当量长度Le,第四节 外压封头计算（续）小端折边的锥壳，计算公式：当量长,第四节 外压封头计算（续）,折边锥壳，计算公式：,当量长度Le,第四节 外压封头计算（续）折边锥壳，计算公式：当量长度Le,第四节 外压封头计算（续）,2. 半顶角600度的锥壳锥壳壁厚按平盖计算，其直径取锥壳的最大直径。3.外压锥形封头计算步骤： 假设锥壳名义厚度nc 计算e=(nc-C)cos 按外压圆筒的规定进行外压校核计算，并以Le/D0代替L/D0,以DL/e代替D0/e,第四节 外压封头计算（续）2. 半顶角

43、600度的锥壳,第四节 外压封头计算（续）,4. 符号说明,第四节 外压封头计算（续）4. 符号说明,第四节 外压封头计算（续）,试设计例题4-1小外压椭圆形封头的厚度。,解: 用图算法进行计算。,假设封头名义厚度,封头高度hi=250mm,查表4-1,计算可得当量球半径,第四节 外压封头计算（续） 试设计例题4-1小外压椭圆形封头,第四节 外压封头计算（续）,计算系数A,查图4-5得 系数B47,计算许用外压力,故假定壁厚符合设计要求，确定椭圆形封头壁厚为4mm。,第四节 外压封头计算（续）计算系数A查图4-5得 系数,第四节 外压封头计算（续）,三、压力试验外压容器和真空容器也需要做压力试

44、验，按内压容器的方法进行。液压试验试验压力：气压试验试验压力：,第四节 外压封头计算（续）三、压力试验,第五节 轴向受压圆筒,一、轴向受压圆筒稳定性概念二、临界压应力的计算,第五节 轴向受压圆筒一、轴向受压圆筒稳定性概念,第五节 轴向受压圆筒（续）,圆筒形容器常受轴向压缩载荷及轴向弯曲、载荷。当轴向压应力达到临界应力时，圆筒壁就丧失稳定性。例如鞍座支承的卧式容器，由于自重及容器内物料重量引起的弯短的作用，而产生轴向压应力；直立高设备，由于自重，内部物料室及风载荷或地震载荷等因素。也会产生轴向压应力。上述两类设备必须计算其受轴向压缩的稳定性。因为圆筒壳在外压和轴向压缩同时的作用下，临界压力及轴向

45、临界应力会下降，为了保证安全生产，应考虑外压与轴向压缩力的相互影响效应。,第五节 轴向受压圆筒（续）圆筒形容器常受轴向压缩载荷及轴向,第五节 轴向受压圆筒（续）,一、轴向受压圆筒稳定性概念,受有轴向压缩载荷的筒体当压缩压力达到某一数值（临界压力pcr）时也会失去稳定性，失稳时在轴向截面产生有规则的波形.,第五节 轴向受压圆筒（续）一、轴向受压圆筒稳定性概念,第五节 轴向受压圆筒（续）,二、临界压应力的计算最大的轴向许用压力必须同时满足强度和稳定性要求。即：,第五节 轴向受压圆筒（续）二、临界压应力的计算,第五节 轴向受压圆筒（续）,系数B的图算法选择壁厚范围，计算系数A根据材料查图4-5图4-12，图上无数据时按公式计算：计算轴向应力，cr,壁厚合适，否则重算。,第五节 轴向受压圆筒（续）系数B的图算法,外压筒球壳的图算法（续）,外压筒球壳的图算法（续）拉姆（B.M.Pamm）近似公式（,图算法求解过程,图算法求解过程,外压用加强圈计算（续）,外压圆筒许用压力计算,外压圆筒有效壁厚计算,外压用加强圈计算（续）外压圆筒许用压力计算外压圆筒有效壁厚,