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化工设备 第三章外压容器设计课件设计：葛永生

第一节外压容器的稳定性

一、外压容器的失效形式 1. 基本概念 ①外压容器：容器外部压力大于内部压力。 ②失效：容器失去了正常的工作能力。 2. 外压容器的失效形式 ①外压容器的失效一是强度不够,二是稳定性不足。 ②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及临界压力的概念 1. 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。检验在超过工作压力条件下容器的宏观强度；

2. 容器失稳形式 ①侧向失稳由于均匀侧向外压引起失稳叫侧向失稳外压圆筒失稳后的形状

②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。②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。

③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。

3. 临界压力的概念 临界压力是导致容器失稳的最小外压力。

三、临界压力的计算 1. 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。 2. 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

3. 临界压力的计算 ①长圆筒的临界压力 ②短圆筒的临界压力

注：应用以上两式应满足以下两个条件： ＊临界应力的临界压力＊圆筒的圆度应符合GB150的规定。

③刚性圆筒所能承受的最大外压力 式中： Pcr — 临界压力，MPa； E — 设计温度下材料的弹性模量，MPa； Δe — 圆筒的有效厚度，mm； Do — 圆筒的外径，mm。 бst— 材料在设计温度下的屈服极限，MPa。

四、外压圆筒类型的判定 1. 临界长度计算（1）临界长度概念：区分不同类型圆筒的特征长度。（2）临界长度的计算公式 ①区分长圆筒和短圆筒的临界长度Lcr ②区分短圆筒和刚性圆筒的临界长度Lˊcr

2. 计算长度确定 （1）计算长度概念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。（2）计算长度的确定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 。

4. 圆筒类型的判定 ①当L≥Lcr时，为长圆筒； ②当L≤Lˊcr时，刚性圆筒； ③当Lcr＞L＞Lˊcr时，为短圆筒。

第二节外压薄壁容器的壁厚确定

一、外压容器设计参数的确定 1. 设计外压力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。其他设计参数：设计温度、焊接接头系数、许用应力等与内压容器相同。

一、外压容器设计参数的确定 2. 试验压力外压容器依然以内压力进行压力试验，其压力试验为： *液压试验 *气压试验

二、外压薄壁容器不失稳的条件 容器的稳定条件为：式中Ｐc—计算外压力，MPa； [p]—许用外压力，MPa。

三、圆筒壁厚确定的解析法 2. 壁厚确定的步骤 ①确定、pc、t、C、E、L、、、等相关参数 ②假设圆筒的名义厚度，得 ③计算临界长度Ｌcr和Lcr’、并与L比较，确定圆筒的类型

④计算 Pcr 、[p]、бcr 。 ⑤ 比较：若[p]≥Pcr、且бcr≤бst ，则以上假设的满足要求；若[p]＜Pcr，则重新假设另一较大的重复以上各步、直至满足要求为止；若[p]≥Pcr、但бcr ＞бst，则改用图算法。 ⑥校核压力试验时圆筒的强度。

四、圆筒壁厚确定的图算法 1. 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。

2. 图算法的步骤 四、圆筒壁厚确定的图算法利用图算法设计不同类型的圆筒其过程也有所不同，现以≥20的圆筒为例说明：确定、pc、t、C、E、L、Pt 、бs 等相关参数； ① 假设圆筒的名义厚度δn ，得δe=δn-C，Do=Di+2δn ②计算 L/Do，Do/δe 的值；

③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；③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； ④根据圆筒所用材料选厚度计算图，在此图上由第（4）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：

⑤比较 若[p]≥pc,则以上假设的δn 满足要求,否则重新假设另一较大的δn ，重复以上各步、直至满足要求为止。 ⑥校核压力试验时圆筒的强度。

五、外压封头壁厚确定的图算法 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。 ①假设封头的名义厚度δn ，得δe=δn-C ②计算Do/δe的值对半球形封头Ro=Ri+δn ，Ri 为半球形内半径；对椭圆形RO=K1Do，K1按表3-1查取；对碟形封头Ro=球面部分内半径。

③计算临界应变A值 ④根据圆筒所用材料选厚度计算图，在此图上由第（3）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：

⑤比较： 若[p]≥pc,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。 ☆注：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。

第三节外压薄壁圆筒加强圈的设计

1. 加强圈的作用 在壁厚一定时、设置加强圈可以减小计算长度，提高临界压力，也就是提高了圆筒的承载能力；在承载要求一定时，设置加强圈减小了计算长度，进而可减小圆筒的壁厚、节省材料。一、加强圈的作用、结构及要求

一、加强圈的作用、结构及要求 • 2. 加强圈的结构 • 加强圈是焊接在圆筒外侧或内侧、且具有 • 足够刚性的圆环状构件。其截面形状有矩形、L • 形、T形、U字形、工字形等。常用型钢制作，如 • 扁钢、角钢、槽钢、工字钢等。 • 加强圈本身应具有足够的刚度，在外压力 • 作用下不会失稳，才能对圆筒起到加强作用。

当圆筒的壁厚确定以后，加强圈之 间的最大间距可按下式计算：若加强圈的实际间距Ls≤Lmax, 表示加强圈的间距合适，该圆筒能够安全承受设计外压P. 二、加强圈的间距

否则，则要设置加强圈。在圆筒上设置多少加强圈合适，没有确切的定论。加强圈多、间距小，节省筒体材料；但若加强圈太多，则自身耗材也多、制造费用也高。最佳方案是圆筒材料和制造费用与加强圈材料和制造费用之和为最小，但工程实际很难实现。根据经验一般认为每隔1～2m设置一个加强圈为宜。

1. 加强圈的稳定条件 加强圈组合截面实际具有的惯性矩Is≥保持加强圈不失稳所需要的组合截面惯性矩I。三、加强圈的图算法计算

2. 保持加强圈稳定所需要的组合截面惯性矩I ①计算B值三、加强圈的图算法计算

②计算A值 A、根据加强圈所用材料，在所选的外压容器厚度计算图上，由以上所计算出的 B值和设计温度在横坐标上找到系数A值； B、若图中无交点无法得到A值，则可直接用下式计算：

③计算加强圈与圆筒组合段所需的惯性矩，即：③计算加强圈与圆筒组合段所需的惯性矩，即： ④组合截面实际具有的截面惯性矩Is 对如图示加强圈的截面尺寸，则组合截面实际具有的截面惯性矩按下式计算

⑤必须Is ≥ I。否则，须另选一具有较大惯性矩的加强圈，重复上述步骤，直到Is ≥ I，为止。

以上式中： Ａ—系数；Ａs—加强圈的横截面积，mm2 Ｂ—系数，MPa； Do—圆筒外径，mm；Ｅ—设计温度下加强圈材料的弹性模量，mm；Ｌs—加强圈的间距，mm；Ｐc—筒体的计算外压力，MPa； m—系数，对于碳钢m=3；

Ｉ—加强圈与壳体组合段所需惯性矩，mm4； Is—加强圈与起加强作用的有效段组合截面产生的实际惯性矩，mm4； d－加强圈截面形心轴与组合截面形心轴之间的距离，mm； a—组合截面形心轴的位置a=Asc/(As+A2)，mm； A2-筒体有效段面积A2=2bδe，mm2 b-加强圈中心线两侧有效宽度b=0.55(Doδe)1/2， mm； δe-筒体有效厚度，mm。

第三章小结

课堂练习及课后思考题 四、例题分析 [例题3-2] [例题3-3] [作业] P76 1、2、4、6 P77 8、9。

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