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1、1. 外压容器 凡外部压力高于内部压力的容器都称为外压容器。 在化工及石油化工生产中，常见的外压容器：减压设备、真空储罐、带蒸汽夹套的反应釜、真空冷凝器和结晶器等。,第五章 外压圆筒与封头的设计,第一节 概 述,一、外压容器的失稳, 对多数薄壁容器，S/D较小或L/D较大的容器，在外压作用下，当压力 达到某一数值时（此时，壁内的最大应力远远小于材料的屈服点），容器便突然失去原来的形状，这种破坏形式称为外压容器的失稳。,3.外压容器与内压容器失效的区别, 形状缺陷影响, 失效过程,外压容器的失稳分为侧向、轴向和局部失稳三类,二、失稳的分类,1.侧向失稳 外压容器的主要失稳形式，本章重点讨论 载荷
2、 侧向外压；变形 横截面由圆形突变为波形,2. 轴向失稳 载荷轴向外压；变形横截面圆形， 经线突变为波形；失稳时经向应力由压应力突变为弯曲应力。,3. 局部失稳：载荷局部外压；变形局部突变为波形， 局部范围的壳体壁内的压应力突变为弯曲应力,容器失稳就是器壁上所受的拉压应力突变为弯曲应力，引起器壁的突然变形,外压失稳的瞬间和失稳以后，器壁内除有压应力外，还存在弯 曲应力，如果材料的抗弯能力(抗弯刚度）强，容器就不易失稳,第二节 临界压力及其影响因素,一、临界压力与临界压应力,使外压容器发生失稳时的压力，称为临界压力，以 Pcr 表示。 容器在临界压力作用时，壁内的应力称临界压应力以 cr 表示,
3、二、影响 临界压力的因素,1. 筒体抗弯刚度的影响,圆筒壳其抗弯刚度与E及几何尺寸有关，与强度s、b无关，各种钢材的E值相差不大，故外压容器用钢材，没有必要选用高强度的钢材； 不同材料的E值不同，故相同条件下，不同材料制成的外压容器，其临界压力不同；同一材料的E值，随温度升高而降低，其临界压力也就降低。,实验结果比较与分析 图（1）与图（2）比较：当 L/D 相同时，S/D 大者， Pcr 高 图（2）与图（3）比较：当 S/D 相同时， L/D 小者， Pcr 高 图（3）与（4）比较： S/D、 L/D 相同时，有加强圈者 Pcr 高,2. 筒体几何尺寸的影响,边界固支（相当于焊接）则临界
4、压力Pcr 边界简支（相当于法兰联接）则临界压力Pcr,3. 容器制造时形状尺寸误差的影响,4. 边界条件的影响,综上，影响因素： E，S/D，L/D，加工精度, 边界条件,通常按外压圆筒破坏情况，根据圆筒长径比的大小不同， 划分为长圆筒、短圆筒、和刚性圆筒三种来研究。 1. 钢制长圆筒 长圆筒的长径比L/D较大，两端边界的刚性影响可以忽略 不计，其临界压力Pcr仅与Se/Do有关，与L/Do无关； 长圆筒失稳时的波形 n=2。,三、长圆筒、短圆筒和刚性圆筒及其临界压力、应力计算公式,临界应力计算公式：,临界压力计算公式： 对钢制圆筒=0.3,式中：L筒体的计算长度，mm； 计算长度的确定（1
5、）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。,短圆筒的长径比L/D0较小，两端边界的刚性影响不可忽略，其临界压力 Pcr与 Se/Do 和 L/Do 均有关；短圆筒失稳时的波形n2的整数。,2.钢制短圆筒,临界压力计算公式,临界应力计算公式,不同结构容器的计算长度确定,式中：t压材料在设计温度下的许用应力，MPa； t压=ts /n 取n=4 焊缝系数，外压容器设计中，一律取=1.0。,3.钢制刚性圆筒,* 刚性圆筒的长径比L/D0更小， Se/Do更大；此种圆筒承受外压时，不会发生失稳，当外压力大到一定时，只能引起压缩屈服和断裂的强度破
6、坏。,* 实践证明，凡圆筒的Se/Do0.04时，任何长径比均不会发生失稳，均属刚性圆筒；(25 时，需1 ， 57 时，需2）,* 刚性圆筒不会发生失稳，也就不存在临界压力，它有如内压圆筒一样存在一个校核应力和一个最大允许工作压力的计算,钢制长圆筒临界压力计算公式,钢制短圆筒临界压力计算公式,钢制刚性圆筒,* 同样，根据Pcr=Pw,四、临界长度,对一个具体的圆筒用哪个式子求值，这就需要确定该筒是在哪个范围的,临界长度是用以划分长与短圆筒、短与刚性圆筒的临界尺寸,* 假定当Se/Do一定时，在某一个临界长度Lcr时，该点用长圆筒公式计算的临界压力Pcr和用短圆筒公式计算的临界压力Pcr相同，
7、则可认为该点是长短圆筒的分界线，也就是长短圆筒的第一临界长度Lcr；,Pcr=Pcr,长、短圆筒的第一临界长度Lcr,短、刚圆筒的第二临界长度Lcr,当计算长度 LcrLLcr 短圆筒，临界压力,结 论,求解思路,外压筒尺寸已知（Do、 Se、 L) 欲求解 Pcr 先确定Lcr、Lcr 确定求 Pcr用哪个公式计算出Pcr （Pcr）值 以工作 P 与 Pcr （Pcr）比较做出判断,当计算长度 L Lcr 长圆筒，临界压力,当计算长度 L Lcr 刚性圆筒，允许压力,* 带夹套的容器 取正常操作时可能出现的最大内外压差，如带夹套的反应釜，夹套内蒸汽压力为 0.2MPa，釜内开始抽真空，然后
8、釜内升压至 0.3MPa。该釜壁承受最大内压为0.30.3MPa；,* 真空容器 没有安全阀时，取 0.1MPa;有安全阀时，取 1.25 倍的内、外最大压差或0.1MPa两者中小值；,一、设计压力 取 p 正常操作下可能产生的最大压差,釜内空料夹套内充蒸汽 外压 -0.2MPa 釜内真空夹套内充蒸汽 外压 -0.3MPa 釜内0.3，夹套内 0.2， 内压 0.1MPa 釜内0.3，夹套内空料， 内压 0.3MPa,第三节 外压圆筒的工程设计,m 的大小取决于： * 圆筒形状的准确性（加工精度） * 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。,二、设计准则,理论上当P
9、设计Pcr(Pcr)时即可，但实践证明不少外压容器在P工作Pcr(Pcr)时，即发生失稳破坏；这是因为以上临界压力计算公式，是建立在理想状态下推导出来的，没有准确地计入制造上影响临界压力的因素，因而，象处理内压容器一样，赋以安全系数，则,式中 m 稳定安全系数；GB150-规定： 圆筒、锥壳取 m=3.0；球壳、椭圆形及碟形封头取m=15。,由 Do/Se ，L/Do 求出 ，可做出一组曲线。,三、外压圆筒壁厚设计的图算法,由于 外压圆筒壁厚设计的理论计算方法很繁杂，GB150- 推荐采用图算法确定外压圆筒的壁厚；,1. 算图的说明：算图共有两组曲线组成, 第一组曲线,依据上一节关于长、短圆筒
10、的临界压力、应力、应变计算式：,长圆筒,用通式表示：,短圆筒,与Do/Se有关,与Do/Se ，L/Do有关, 在Do/Se一定（即图上每一条曲线） A（）与L/Do的关系； 曲线上部与L/Do座标平行， 显然A（）仅与Do/Se有关,与L/Do无关, 表示长圆筒 曲线下部分为斜线， A（）与 Do/Se，L/Do都有关系；表示是短圆筒 两段曲线的转折点所对应的长度L ， 代表该圆筒的第一临界长度Lcr； 这组曲线与材料性质无关； 利用这组曲线，可以迅速找出一个尺寸（ Do、Se、 L） 已知的外压圆筒，当它失稳时，筒壁的环向应变是多少？,若以为横坐标，以B为纵坐标，做出曲线，即可从这组曲线中
11、，方便的由系数A()找到与之相对应的系数B, 第二组曲线,可见,* 这组曲线与材料的性能 Et 有关，而 Et 又随温度变化，不同的温度，不同的 Et 值就有不同的曲线，该曲线又称温度曲线；,这组曲线也有直线和曲线两部分 直线部分表示Et为常数（即弹性变形阶段），这时A()比较小； 曲线部分表示Et不再为常数（即弹塑性变形阶段），这时A()比较大 由于不同材料的比例极限和屈服点不同，反映在这组曲线上，即为曲线直段的斜率、转折点的位置及转折点以后曲线的曲率、走向的不同；,所以，不同级别s的材料，曲线的形状不同，工程上把具有相近性能 Et、 s 的材料放在一起，再以不同的温度，做出常用材料的第二组
12、曲线，使用时根据不同的材料选用相应的一组（见图5-7图5-14）,2. 外压圆筒（管子）壁厚设计图算法步骤,对 Do/Se 20 的圆筒和管子,（1）假设Sn ，令Se=Sn-C 计算L/Do 和Do/Se 值,（2）求 值（A值）， 查图5-5。 若 L/Do 50 , 则用L/Do = 50 查图 若 L/Do0.05 , 则用L/Do=0.05 查图,* A值所在点落在所选曲线右侧，与曲线有交点，B值可由图中直接查到； * A值所在点落在曲线左侧，与曲线没交点，B值可由公式计算得到：,若PcP 说明假设的Sn合适，可以采用，且安全； 若PcP 说明假设的Sn过大，会造成材料的浪费，应 重
13、新假设小一点的Sn，重复步的计算， 直到PcP ； 若PcP 说明假设的Sn过小，是不安全的，应重新假 设大一点的Sn，重复步的计算， 直到 PcP ；,（4）求 许用工作压力P,（5）比较,（3）判断Pc是否满足PcP且接近，否则重新设定Sn。,对Do/Se20的圆筒和管子：,（1）用与Do/Se20时相同的步骤,求得B值；,对Do/Se4.0的圆筒和管子，在图5-5的右边找不到A值，则A值需按 A=1.1/(Do/Se)2 计算，A0.1时取A=0.1,（2）用所得的B值计算P1,p = min p1 ,p2 ,（1）须在对容器的筒体部分进行PT下的 水压试验完全合格后，再焊接夹套。 （2
14、）夹套焊后,须对夹套作PT =1.25 P夹 的压力试验 （3）夹套在作压力试验时，必须对筒体 部分进行在PT夹外压下的稳定性校核。如 稳定性不够须在夹套充压之前，向筒体 内充压，使其内外压差不超过设计压力。,四、外压容器的试压,1.外压容器和真空容器的试压 按内压容器试压方法进行压力试验。,试验压力：液压试验 PT = 1.25 P ， 气压试验 PT = 1.15 P,在压力试验之前，需按内压容器方式进行应力校核,2.带夹套容器,五、例题与讨论,例1 试设计一外压圆筒的壁厚。 已知：计算压力 Pc = 0.2 MPa 设计温度 t = 250 内径 Di = 1800 mm，材质 16 M
15、nR 计算长度 L=10350 mm 壁厚附加量 C=2 mm Et = 186.4 103 MPa,解：（1）假设 Sn = 14 mm ， 则 Do = Di + 2 Sn = 1800+214=1828 mm Se = Sn - C =14-2 = 12 mm 计算 L/Do =10350 /1828 = 5.7 Do/Se = 1828 /12 = 152 20,（2）求 值（A值） 查图5-5 得：系数A = 0.000102,（3）求 B 值 由图5-9 ，A 点在温度曲线左方，查不到系数B，由公式计算：,(4）求 P,显然，Pc=0.2P=0.0834 不安全；重新设计。,解决的
16、办法有二个：重新假设Sn，增大壁厚； 设计加强圈，改变L使L/De降低,若按增加壁厚计算,（1）假设 Sn=20 mm ， 则 Do= Di+2Sn =1840 mm ，Se=Sn -C=18 mm 计算 L/Do=10350/1840 = 5.6 ，Do/Se =1828/18=10220 （2）求 值（A值） 查图5-5 得：A = 0.00022 （3）求 B 值 由图5-9 ，A 点在曲线右侧，查得 B=27.5 MPa （4）求 P,（5）比较 P 与 Pc P=0.27Pc =0.2 Mpa 且较接近，可用 Sn = 20 mm 的16MnR 的钢板。,讨论： 采用Sn=20mm，筒体需耗材11.59吨，封头耗材1.185吨，共耗材12.8吨； 采用Sn=14mm，筒体需耗材8.09吨，封头耗材0.81吨，加强圈耗材0.14吨，共耗材9.04吨； 节省约3.79吨， 受压材料3.9吨。,按设两个加强圈计算：,（1）壁厚仍取Sn=14 mm ，Se=12 mm 设
