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1、第九章第九章 外压薄壁圆筒与封头的设计外压薄壁圆筒与封头的设计第一节第一节概概述述第二节第二节临界压力临界压力第三节第三节外压圆筒的工程设计外压圆筒的工程设计第四节第四节外压球壳与凸形封头的设计外压球壳与凸形封头的设计第五节第五节加强圈的设计加强圈的设计第一节第一节 概概 述述一、外压容器的失稳一、外压容器的失稳二、容器失稳型式的分类二、容器失稳型式的分类一、外压容器的失稳一、外压容器的失稳n n外压容器外压容器外压容器外压容器：壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。：壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。：壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。：壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。n n应力特点应
2、力特点应力特点应力特点：容器受到外压作用后，在筒壁内将产生经：容器受到外压作用后，在筒壁内将产生经：容器受到外压作用后，在筒壁内将产生经：容器受到外压作用后，在筒壁内将产生经向和环向压缩应力。向和环向压缩应力。向和环向压缩应力。向和环向压缩应力。n n失效类型失效类型失效类型失效类型：n n强度破坏强度破坏强度破坏强度破坏（很少发生）；（很少发生）；（很少发生）；（很少发生）；n n失稳破坏失稳破坏失稳破坏失稳破坏（主要失效形式）：外压圆筒筒壁内的压缩应力（主要失效形式）：外压圆筒筒壁内的压缩应力（主要失效形式）：外压圆筒筒壁内的压缩应力（主要失效形式）：外压圆筒筒壁内的压缩应力远低于材料的屈
3、服点时，筒壁就已经被突然远低于材料的屈服点时，筒壁就已经被突然远低于材料的屈服点时，筒壁就已经被突然远低于材料的屈服点时，筒壁就已经被突然压瘪或发生褶压瘪或发生褶压瘪或发生褶压瘪或发生褶绉绉绉绉，即在一瞬间失去自身原来的形状。，即在一瞬间失去自身原来的形状。，即在一瞬间失去自身原来的形状。，即在一瞬间失去自身原来的形状。n n弹性失稳弹性失稳弹性失稳弹性失稳：筒体在外压作用下突然失去原来形状，应：筒体在外压作用下突然失去原来形状，应：筒体在外压作用下突然失去原来形状，应：筒体在外压作用下突然失去原来形状，应力也由失稳前的压缩应力为主变成以弯曲应力为主的力也由失稳前的压缩应力为主变成以弯曲应力为
4、主的力也由失稳前的压缩应力为主变成以弯曲应力为主的力也由失稳前的压缩应力为主变成以弯曲应力为主的复杂的附加应力。复杂的附加应力。复杂的附加应力。复杂的附加应力。二、容器失稳型式的分类二、容器失稳型式的分类n n1. 1. 侧向失稳侧向失稳侧向失稳侧向失稳n n容器由于均匀侧向外压引起的失稳叫做侧向失稳，侧向失稳容器由于均匀侧向外压引起的失稳叫做侧向失稳，侧向失稳容器由于均匀侧向外压引起的失稳叫做侧向失稳，侧向失稳容器由于均匀侧向外压引起的失稳叫做侧向失稳，侧向失稳时壳体断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形。时壳体断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形。时壳体断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形。时壳体断面由
5、原来的圆形被压瘪而呈现波形。 二、容器失稳型式的分类二、容器失稳型式的分类n n1. 1. 侧向失稳侧向失稳侧向失稳侧向失稳二、容器失稳型式的分类二、容器失稳型式的分类n n2. 2. 轴向失稳轴向失稳轴向失稳轴向失稳n n3. 3. 局部失稳局部失稳局部失稳局部失稳薄壁圆筒在轴向外压作用下引薄壁圆筒在轴向外压作用下引起的失稳。失稳后仍具有圆形起的失稳。失稳后仍具有圆形的环截面，但是破坏了母线的的环截面，但是破坏了母线的直线性，母线产生了波形，即直线性，母线产生了波形，即圆筒发生了褶绉。圆筒发生了褶绉。 容器在支座或其他支承处以容器在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的及在安装运输中由于
6、过大的局部外压引起的局部失稳。局部外压引起的局部失稳。 第二节第二节 临界压力临界压力一、临界压力一、临界压力二、影响临界压力的因素二、影响临界压力的因素三、外压圆筒的分类三、外压圆筒的分类四、临界压力的理论计算公式四、临界压力的理论计算公式五、临界长度五、临界长度一、临界压力一、临界压力n n承受外压的容器在外压达临界值之前，壳体也能发生弹性承受外压的容器在外压达临界值之前，壳体也能发生弹性承受外压的容器在外压达临界值之前，壳体也能发生弹性承受外压的容器在外压达临界值之前，壳体也能发生弹性压缩变形；压力卸除后壳体可恢复为原来的形状。一旦当压缩变形；压力卸除后壳体可恢复为原来的形状。一旦当压缩
7、变形；压力卸除后壳体可恢复为原来的形状。一旦当压缩变形；压力卸除后壳体可恢复为原来的形状。一旦当外压力增大到某一临界值时，筒体的形状发生永久变形，外压力增大到某一临界值时，筒体的形状发生永久变形，外压力增大到某一临界值时，筒体的形状发生永久变形，外压力增大到某一临界值时，筒体的形状发生永久变形，就失去了原来的稳定性。就失去了原来的稳定性。就失去了原来的稳定性。就失去了原来的稳定性。n n导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力，导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力，以以Pcr表示。表示。n n筒体在临界压力作用下，筒壁内存在的压应力筒体在临界压力作用下，筒壁内存在的压应力称为临界压应力，以称为
8、临界压应力，以cr表示。表示。二、影响临界压力的因素二、影响临界压力的因素n n1. 筒体几何尺寸筒体几何尺寸n n试验证明：影响筒体临界压力的几何尺寸主要有筒体的长度试验证明：影响筒体临界压力的几何尺寸主要有筒体的长度试验证明：影响筒体临界压力的几何尺寸主要有筒体的长度试验证明：影响筒体临界压力的几何尺寸主要有筒体的长度L L、筒体壁厚、筒体壁厚、筒体壁厚、筒体壁厚S S以及筒体直径以及筒体直径以及筒体直径以及筒体直径D D，并且：，并且：，并且：，并且：n n长度长度长度长度L L一定时，一定时，一定时，一定时，S/DS/D越大，圆筒的临界压力越高；越大，圆筒的临界压力越高；越大，圆筒的临
9、界压力越高；越大，圆筒的临界压力越高；n n圆筒的圆筒的圆筒的圆筒的S/DS/D相同，筒体越短临界压力越高；相同，筒体越短临界压力越高；相同，筒体越短临界压力越高；相同，筒体越短临界压力越高；n n筒体的筒体的筒体的筒体的S/DS/D和和和和L/DL/D值均相同时，存在加强圈得筒体临界压力高。值均相同时，存在加强圈得筒体临界压力高。值均相同时，存在加强圈得筒体临界压力高。值均相同时，存在加强圈得筒体临界压力高。n n计算长度计算长度计算长度计算长度：指两个刚性构件（如法兰、端盖、管板及加强圈等）间的距离。：指两个刚性构件（如法兰、端盖、管板及加强圈等）间的距离。：指两个刚性构件（如法兰、端盖、
10、管板及加强圈等）间的距离。：指两个刚性构件（如法兰、端盖、管板及加强圈等）间的距离。对与封头相联的筒体来说，计算长度应计入凸形封头对与封头相联的筒体来说，计算长度应计入凸形封头对与封头相联的筒体来说，计算长度应计入凸形封头对与封头相联的筒体来说，计算长度应计入凸形封头1/31/3凸面高度。凸面高度。凸面高度。凸面高度。二、影响临界压力的因素二、影响临界压力的因素n n2. 筒体材料性能的影响筒体材料性能的影响n n筒体的临界压力与材料的强度没有直接关系。材料的弹性模量筒体的临界压力与材料的强度没有直接关系。材料的弹性模量筒体的临界压力与材料的强度没有直接关系。材料的弹性模量筒体的临界压力与材料
11、的强度没有直接关系。材料的弹性模量E E和泊松比和泊松比和泊松比和泊松比 值越大，抵抗变形的能力就越强，因而其临界压力也就越高。值越大，抵抗变形的能力就越强，因而其临界压力也就越高。值越大，抵抗变形的能力就越强，因而其临界压力也就越高。值越大，抵抗变形的能力就越强，因而其临界压力也就越高。n n【注意注意注意注意】钢材的钢材的钢材的钢材的E E和和和和 值相差不大，选用高强度钢代替一般碳钢制造外压值相差不大，选用高强度钢代替一般碳钢制造外压值相差不大，选用高强度钢代替一般碳钢制造外压值相差不大，选用高强度钢代替一般碳钢制造外压容器，不能提高筒体的临界压力。容器，不能提高筒体的临界压力。容器，不
12、能提高筒体的临界压力。容器，不能提高筒体的临界压力。n n3. 筒体椭圆度和材料不均匀筒体椭圆度和材料不均匀n n稳定性破坏主要原因不是壳体存在椭圆度或材料不均匀。因为即使壳体的稳定性破坏主要原因不是壳体存在椭圆度或材料不均匀。因为即使壳体的稳定性破坏主要原因不是壳体存在椭圆度或材料不均匀。因为即使壳体的稳定性破坏主要原因不是壳体存在椭圆度或材料不均匀。因为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。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。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。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。n n
13、壳体的椭圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的数值降低，即能使失稳壳体的椭圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的数值降低，即能使失稳壳体的椭圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的数值降低，即能使失稳壳体的椭圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的数值降低，即能使失稳提前发生。提前发生。提前发生。提前发生。n n载荷不对称性，边界条件等因素载荷不对称性，边界条件等因素三、外压圆筒的分类三、外压圆筒的分类n n1. 1. 长圆筒长圆筒长圆筒长圆筒n n圆筒的圆筒的圆筒的圆筒的L/DL/D0 0较大，两端的边界影响可以忽略，临界压力较大，两端的边界影响可以忽略，临界压力较大，两端的边界影响可以忽略，临界压力较
14、大，两端的边界影响可以忽略，临界压力PcrPcr仅仅仅仅与与与与Se/DSe/D0 0有关，而与有关，而与有关，而与有关，而与L/DL/D0 0无关（无关（无关（无关（L L为圆筒的计算长度）。失稳为圆筒的计算长度）。失稳为圆筒的计算长度）。失稳为圆筒的计算长度）。失稳时波形数时波形数时波形数时波形数n=2n=2。n n2. 2. 短圆筒短圆筒短圆筒短圆筒n n两端的边界影响显著，临界压力两端的边界影响显著，临界压力两端的边界影响显著，临界压力两端的边界影响显著，临界压力PcrPcr不仅与不仅与不仅与不仅与Se/DSe/D0 0有关，而且有关，而且有关，而且有关，而且与与与与L/DL/D0 0
15、也有关，筒失稳时波形数也有关，筒失稳时波形数也有关，筒失稳时波形数也有关，筒失稳时波形数n n为大于为大于为大于为大于2 2的整数。的整数。的整数。的整数。n n3. 3. 刚性圆筒刚性圆筒刚性圆筒刚性圆筒n n圆筒的圆筒的圆筒的圆筒的L/DL/D0 0较小，而较小，而较小，而较小，而Se/DSe/D0 0较大，故刚性较好。其破坏原因是较大，故刚性较好。其破坏原因是较大，故刚性较好。其破坏原因是较大，故刚性较好。其破坏原因是由于器壁内的应力超过了材料的屈服点所致，而不会发生失由于器壁内的应力超过了材料的屈服点所致，而不会发生失由于器壁内的应力超过了材料的屈服点所致，而不会发生失由于器壁内的应力
16、超过了材料的屈服点所致，而不会发生失稳。稳。稳。稳。n n 长圆筒或短圆筒，要同时进行强度计算和稳定性校长圆筒或短圆筒，要同时进行强度计算和稳定性校长圆筒或短圆筒，要同时进行强度计算和稳定性校长圆筒或短圆筒，要同时进行强度计算和稳定性校验，后者更重要。验，后者更重要。验，后者更重要。验，后者更重要。四、临界压力的理论计算公式四、临界压力的理论计算公式n n1. 1. 钢制长圆筒钢制长圆筒钢制长圆筒钢制长圆筒临界压力公式临界压力公式钢制圆筒钢制圆筒(=0.3 )临界应力公式临界应力公式式中式中 Pcr临界压力，临界压力，MPa； Et设计温度下材料的弹性模数，设计温度下材料的弹性模数，MPa；
17、Se筒体的有效壁厚，筒体的有效壁厚，mm； D0筒体的外直径，筒体的外直径，mm； 材料的泊桑比。材料的泊桑比。注意注意长圆筒的临界长圆筒的临界压力仅与圆筒的材料和压力仅与圆筒的材料和圆筒的壁厚与直径之比圆筒的壁厚与直径之比Se/D0有关，而与圆筒的有关，而与圆筒的长径比长径比L/D0无关。无关。四、临界压力的理论计算公式四、临界压力的理论计算公式n n2. 2. 钢制短圆筒钢制短圆筒钢制短圆筒钢制短圆筒临界压力公式临界压力公式注意注意短圆筒的临界压力除与圆筒的材料和圆筒的壁厚与直短圆筒的临界压力除与圆筒的材料和圆筒的壁厚与直径之比径之比Se/D0有关，而且与有关，而且与L/D0也有关也有关
18、临界应力公式临界应力公式四、临界压力的理论计算公式四、临界压力的理论计算公式n n3. 3. 刚性圆筒刚性圆筒刚性圆筒刚性圆筒n n刚性圆筒不会失稳破坏，只需进行强度校验。其强度校验公刚性圆筒不会失稳破坏，只需进行强度校验。其强度校验公刚性圆筒不会失稳破坏，只需进行强度校验。其强度校验公刚性圆筒不会失稳破坏，只需进行强度校验。其强度校验公式与计算内压圆筒的公式一样。式与计算内压圆筒的公式一样。式与计算内压圆筒的公式一样。式与计算内压圆筒的公式一样。强度校核强度校核许用外压校核许用外压校核材料设计温度的许用压应力，可取材料设计温度的许用压应力，可取 =s/4； 五、临界长度五、临界长度n n1.
19、 1. 长、短圆筒的临界长度长、短圆筒的临界长度长、短圆筒的临界长度长、短圆筒的临界长度n n刚刚刚刚性性性性圆圆圆圆筒筒筒筒不不不不会会会会失失失失稳稳稳稳破破破破坏坏坏坏，只只只只需需需需进进进进行行行行强强强强度度度度校校校校验验验验。其其其其强强强强度度度度校校校校验公式与计算内压圆筒的公式一样。验公式与计算内压圆筒的公式一样。验公式与计算内压圆筒的公式一样。验公式与计算内压圆筒的公式一样。五、临界长度五、临界长度n n2. 2. 短、刚性圆筒的临界长度短、刚性圆筒的临界长度短、刚性圆筒的临界长度短、刚性圆筒的临界长度n nL L L LLcrLcrLcrLcr时，长圆筒；时，长圆筒；
20、时，长圆筒；时，长圆筒；n nLcrLcrLcrLcrL L L LLcrLcrLcrLcr，短圆筒；，短圆筒；，短圆筒；，短圆筒；n nL L L LLcrLcrLcrLcr，刚性圆筒。，刚性圆筒。，刚性圆筒。，刚性圆筒。第三节第三节 外压圆筒的工程设计外压圆筒的工程设计一、设计准则一、设计准则二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法三、外压容器的试压三、外压容器的试压一、设计准则一、设计准则n n1. 1. 许用压力的确定许用压力的确定许用压力的确定许用压力的确定n n工程上在外压力等于或接近于临界压力工程上在外压力等于或接近于临界压力工程上在外压力等于或接近于临界压力工程
21、上在外压力等于或接近于临界压力pcrpcr时进行操作是绝不时进行操作是绝不时进行操作是绝不时进行操作是绝不允许的，必须使许用压力允许的，必须使许用压力允许的，必须使许用压力允许的，必须使许用压力pp比临界压力小比临界压力小比临界压力小比临界压力小mm倍，即：倍，即：倍，即：倍，即：n nn nmm稳定安全系数，根据稳定安全系数，根据稳定安全系数，根据稳定安全系数，根据GBl50GBl509898钢制压力容器钢制压力容器钢制压力容器钢制压力容器规定：规定：规定：规定：n n对圆筒、锥壳取对圆筒、锥壳取对圆筒、锥壳取对圆筒、锥壳取m=3.0m=3.0；n n球壳、椭圆形和碟形封头取球壳、椭圆形和碟
22、形封头取球壳、椭圆形和碟形封头取球壳、椭圆形和碟形封头取m=15m=15。n n2. 2. 设计准则设计准则设计准则设计准则n n必须使设计压力必须使设计压力必须使设计压力必须使设计压力pppp，并接近，并接近，并接近，并接近pp，则所确定的筒体壁厚才是，则所确定的筒体壁厚才是，则所确定的筒体壁厚才是，则所确定的筒体壁厚才是满足外压稳定的合理要求。满足外压稳定的合理要求。满足外压稳定的合理要求。满足外压稳定的合理要求。二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n n1. 算图的由来算图的由来n n临界压力作用下，筒壁产生的环向应力临界压力作用下，筒壁产生的环向应力临界压力作用下，
23、筒壁产生的环向应力临界压力作用下，筒壁产生的环向应力 crcr及应变及应变及应变及应变 为：为：为：为：n n临界压力作用下长圆筒与短圆筒内的应变临界压力作用下长圆筒与短圆筒内的应变临界压力作用下长圆筒与短圆筒内的应变临界压力作用下长圆筒与短圆筒内的应变 、为：为：为：为： 长圆筒应变长圆筒应变短圆筒应变短圆筒应变二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n n1. 1. 算图的由来算图的由来算图的由来算图的由来n n外压圆筒失稳时，筒壁的环向应变值与筒体几何尺寸（外压圆筒失稳时，筒壁的环向应变值与筒体几何尺寸（外压圆筒失稳时，筒壁的环向应变值与筒体几何尺寸（外压圆筒失稳时，筒壁
24、的环向应变值与筒体几何尺寸（SeSe，D D0 0，L L）之间）之间）之间）之间的关系的关系的关系的关系n n对于一个壁厚和直径已经确定的筒体（即该筒的对于一个壁厚和直径已经确定的筒体（即该筒的对于一个壁厚和直径已经确定的筒体（即该筒的对于一个壁厚和直径已经确定的筒体（即该筒的D D0 0/Se/Se的值）的值）的值）的值）来说，筒体失稳时的环向应变来说，筒体失稳时的环向应变来说，筒体失稳时的环向应变来说，筒体失稳时的环向应变 值将只是值将只是值将只是值将只是L/DL/D0 0的函数，不同的的函数，不同的的函数，不同的的函数，不同的L/DL/D0 0值的圆筒体，失稳时将产生不同的值的圆筒体，
25、失稳时将产生不同的值的圆筒体，失稳时将产生不同的值的圆筒体，失稳时将产生不同的 值。以值。以值。以值。以 为横坐标，为横坐标，为横坐标，为横坐标，以以以以L/DL/D0 0为纵坐标，就可得到一系列具有不同为纵坐标，就可得到一系列具有不同为纵坐标，就可得到一系列具有不同为纵坐标，就可得到一系列具有不同D D0 0/Se/Se值筒体的值筒体的值筒体的值筒体的 L/DL/D0 0的关系曲线图，图中以系数的关系曲线图，图中以系数的关系曲线图，图中以系数的关系曲线图，图中以系数A A代替代替代替代替 （见教材（见教材（见教材（见教材P211P211图图图图11113 3）。）。）。）。二、外压圆筒壁厚设
26、计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n n1. 算图的由来算图的由来n n垂直线段（对应长圆筒）垂直线段（对应长圆筒）垂直线段（对应长圆筒）垂直线段（对应长圆筒）与倾斜直线（短圆筒）。与倾斜直线（短圆筒）。与倾斜直线（短圆筒）。与倾斜直线（短圆筒）。曲线的转折点所表示的长曲线的转折点所表示的长曲线的转折点所表示的长曲线的转折点所表示的长度是该圆筒的长、短圆筒度是该圆筒的长、短圆筒度是该圆筒的长、短圆筒度是该圆筒的长、短圆筒临界长度。临界长度。临界长度。临界长度。n n利用这组曲线，可以迅速利用这组曲线，可以迅速利用这组曲线，可以迅速利用这组曲线，可以迅速找出一个尺寸已知的外压找出一个尺寸已知
27、的外压找出一个尺寸已知的外压找出一个尺寸已知的外压圆筒失稳时筒壁环向应变圆筒失稳时筒壁环向应变圆筒失稳时筒壁环向应变圆筒失稳时筒壁环向应变是多少。是多少。是多少。是多少。n n一个尺寸已知的外压圆筒，一个尺寸已知的外压圆筒，一个尺寸已知的外压圆筒，一个尺寸已知的外压圆筒，当它失稳时，其临界压力当它失稳时，其临界压力当它失稳时，其临界压力当它失稳时，其临界压力是多少？为保证安全操作，是多少？为保证安全操作，是多少？为保证安全操作，是多少？为保证安全操作，其允许的工作外压又是多其允许的工作外压又是多其允许的工作外压又是多其允许的工作外压又是多少？少？少？少？ 二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆
28、筒壁厚设计的图算法n n1. 1. 算图的由来算图的由来算图的由来算图的由来n n若若若若将将将将失失失失稳稳稳稳时时时时的的的的环环环环向向向向应应应应变变变变与与与与允允允允许许许许工工工工作作作作外外外外压压压压的的的的关关关关系系系系曲曲曲曲线线线线找找找找出出出出来来来来，那那那那么么么么就就就就可可可可能能能能通通通通过过过过失失失失稳稳稳稳时时时时的的的的环环环环向向向向应应应应变变变变 为为为为媒媒媒媒介介介介，将将将将圆圆圆圆筒筒筒筒的的的的尺尺尺尺寸寸寸寸（D D0 0、SeSe、L L）与允许工作外压直接通过曲线图联系起来。）与允许工作外压直接通过曲线图联系起来。）与允许
29、工作外压直接通过曲线图联系起来。）与允许工作外压直接通过曲线图联系起来。令令对于一个已知壁厚对于一个已知壁厚Se与直径与直径D0的筒体，其允许工作外压的筒体，其允许工作外压p等于等于B乘以乘以Se/D0，所以，所以要想从要想从找到找到p，首先需要从，首先需要从找出找出B。于是问题就转到了如何从。于是问题就转到了如何从找出找出B。二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n n1. 算图的由来算图的由来若以若以为横坐标，以为横坐标，以B为纵为纵坐标，将坐标，将B与与 （即图中（即图中A）关系用曲线表示出来。）关系用曲线表示出来。利用这组曲线可以方便而利用这组曲线可以方便而迅速地从迅
30、速地从找到与之相对应找到与之相对应的系数的系数B，进而求出，进而求出p。当当比较小时，比较小时，E是常数，是常数，为直线（相当于比例极限为直线（相当于比例极限以前的变形情况）。当以前的变形情况）。当较较大时（相当于超过比较极大时（相当于超过比较极限以后的变形情况），限以后的变形情况），E值值有很大的降低，而且不再有很大的降低，而且不再是一个常数，为曲线。是一个常数，为曲线。 【说明说明】不同的材料有不同的比例极限不同的材料有不同的比例极限和屈服点，所以有一系列的和屈服点，所以有一系列的AB图。图。二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n n2. 2. 外压圆筒和管子壁厚的图算
31、法外压圆筒和管子壁厚的图算法外压圆筒和管子壁厚的图算法外压圆筒和管子壁厚的图算法n n对对对对D D0 0/Se20/Se20（薄壁）的圆筒和管子（薄壁）的圆筒和管子（薄壁）的圆筒和管子（薄壁）的圆筒和管子n n假设假设假设假设SnSn，令，令，令，令Se=Sn-CSe=Sn-C，而后定出比值，而后定出比值，而后定出比值，而后定出比值L/DL/D0 0和和和和D D0 0/Se/Se；n n在图在图在图在图11113 3的左方找到的左方找到的左方找到的左方找到L/DL/D0 0值，过此点沿水平方向右移值，过此点沿水平方向右移值，过此点沿水平方向右移值，过此点沿水平方向右移与与与与D D0 0/
32、Se/Se线相交（遇中间值用内插法），若线相交（遇中间值用内插法），若线相交（遇中间值用内插法），若线相交（遇中间值用内插法），若L/DL/D0 05050，则用，则用，则用，则用L/DL/D0 0=50=50查图，若查图，若查图，若查图，若L/D0L/D00.050.05，则用，则用，则用，则用L/DL/D0 0=0.05=0.05查图；查图；查图；查图；n n过此交点沿垂直方向下移，在图的下方得到系数过此交点沿垂直方向下移，在图的下方得到系数过此交点沿垂直方向下移，在图的下方得到系数过此交点沿垂直方向下移，在图的下方得到系数A A；二、外压圆筒壁厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n
33、 n2. 2. 外压圆筒和管子壁厚的图算法外压圆筒和管子壁厚的图算法外压圆筒和管子壁厚的图算法外压圆筒和管子壁厚的图算法n n对对对对D D0 0/Se20/Se20（薄壁）的圆筒和管子（薄壁）的圆筒和管子（薄壁）的圆筒和管子（薄壁）的圆筒和管子n n根据所用材料选用图根据所用材料选用图根据所用材料选用图根据所用材料选用图11-411-411-911-9，在图下方找出由，在图下方找出由，在图下方找出由，在图下方找出由所得的系数所得的系数所得的系数所得的系数A A。n n若若若若A 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，与设计值落
34、在设计温度下材料线的右方，则过此点垂直上移，与设计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），再过此交点沿水温度下的材料线相交（遇中间温度值用内插法），再过此交点沿水温度下的材料线相交（遇中间温度值用内插法），再过此交点沿水温度下的材料线相交（遇中间温度值用内插法），再过此交点沿水平方向右移，在图的右方得到系数平方向右移，在图的右方得到系数平方向右移，在图的右方得到系数平方向右移，在图的右方得到系数B B，并按下式计算许用外压力，并按下式计算许用外压力，并按下式计算许用外压力，并按下式计算许用外压力pp：n n若若若若A A值落在设计温度下
35、材料线的左方，说明肯定处于弹性失稳状态，值落在设计温度下材料线的左方，说明肯定处于弹性失稳状态，值落在设计温度下材料线的左方，说明肯定处于弹性失稳状态，值落在设计温度下材料线的左方，说明肯定处于弹性失稳状态，则用下式计算许用外压力则用下式计算许用外压力则用下式计算许用外压力则用下式计算许用外压力pp：n n比较比较比较比较p p与与与与pp，若，若，若，若p ppp，则需重新假设，则需重新假设，则需重新假设，则需重新假设SnSn，重复上述步骤直至，重复上述步骤直至，重复上述步骤直至，重复上述步骤直至pp大大大大于且接近于于且接近于于且接近于于且接近于p p为止。为止。为止。为止。二、外压圆筒壁
36、厚设计的图算法二、外压圆筒壁厚设计的图算法n n2. 2. 外压圆筒和管子壁厚的图算法外压圆筒和管子壁厚的图算法外压圆筒和管子壁厚的图算法外压圆筒和管子壁厚的图算法n n对对对对D D0 0/Se/Se2020（厚壁）的圆筒和管子（厚壁）的圆筒和管子（厚壁）的圆筒和管子（厚壁）的圆筒和管子n n用用用用与与与与D D0 0/Se20/Se20时时时时相相相相同同同同的的的的步步步步骤骤骤骤得得得得到到到到系系系系数数数数B B值值值值。但但但但对对对对于于于于D D0 0/Se/Se4.04.0的的的的圆圆圆圆筒筒筒筒和和和和管子应按下式计算管子应按下式计算管子应按下式计算管子应按下式计算A
37、A值：值：值：值：n n系数系数系数系数A0.1A0.1时，取时，取时，取时，取A=0.1A=0.1。n n用用用用所所所所得得得得的的的的系系系系数数数数B B，按按按按下下下下式式式式计计计计算算算算pp1 1和和和和pp2 2，并并并并取取取取较较较较小小小小者者者者为为为为圆圆圆圆筒筒筒筒的的的的许许许许用用用用外外外外压力，即：压力，即：压力，即：压力，即：n n比比比比较较较较p p与与与与p p ，若若若若p ppp，则则则则需需需需重重重重新新新新假假假假设设设设SnSn，重重重重复复复复上上上上述述述述步步步步骤骤骤骤直直直直至至至至pp大大大大于于于于且接近于且接近于且接近
38、于且接近于p p为止。为止。为止。为止。三、外压容器的试压三、外压容器的试压n n 外压容器和真空容器的试压外压容器和真空容器的试压外压容器和真空容器的试压外压容器和真空容器的试压按内压容器进行液压试验按内压容器进行液压试验按内压容器进行液压试验按内压容器进行液压试验，试验压力，试验压力，试验压力，试验压力按下式确定：按下式确定：按下式确定：按下式确定：n np pT T=1.25p (MPa)=1.25p (MPa)n n式中式中式中式中p p设计外压力，设计外压力，设计外压力，设计外压力，MPaMPa。n n对于带夹套的容器应在容器的液压试验合格后再焊接夹套。夹套对于带夹套的容器应在容器的
39、液压试验合格后再焊接夹套。夹套对于带夹套的容器应在容器的液压试验合格后再焊接夹套。夹套对于带夹套的容器应在容器的液压试验合格后再焊接夹套。夹套也需以也需以也需以也需以1.25p1.25p做内压试验，必须事先校核该容器在夹套试压时稳做内压试验，必须事先校核该容器在夹套试压时稳做内压试验，必须事先校核该容器在夹套试压时稳做内压试验，必须事先校核该容器在夹套试压时稳定性是否足够。如果容器在该夹套试验压力下不能满足稳定性的定性是否足够。如果容器在该夹套试验压力下不能满足稳定性的定性是否足够。如果容器在该夹套试验压力下不能满足稳定性的定性是否足够。如果容器在该夹套试验压力下不能满足稳定性的要求时，则应在
40、夹套试压的同时，使容器内保持一定的压力，以要求时，则应在夹套试压的同时，使容器内保持一定的压力，以要求时，则应在夹套试压的同时，使容器内保持一定的压力，以要求时，则应在夹套试压的同时，使容器内保持一定的压力，以便在整个试压过程中使筒壁的外、内压差不超过设计值。夹套容便在整个试压过程中使筒壁的外、内压差不超过设计值。夹套容便在整个试压过程中使筒壁的外、内压差不超过设计值。夹套容便在整个试压过程中使筒壁的外、内压差不超过设计值。夹套容器内筒如设计压力为正值时，按内压容器试压；如设计压力为负器内筒如设计压力为正值时，按内压容器试压；如设计压力为负器内筒如设计压力为正值时，按内压容器试压；如设计压力为
41、负器内筒如设计压力为正值时，按内压容器试压；如设计压力为负值时按外压容器进行液压试验。值时按外压容器进行液压试验。值时按外压容器进行液压试验。值时按外压容器进行液压试验。 典型例题典型例题n n试试试试确确确确定定定定一一一一外外外外压压压压容容容容器器器器的的的的壁壁壁壁厚厚厚厚。已已已已知知知知设设设设计计计计外外外外压压压压力力力力p=0.2MPap=0.2MPa，内内内内径径径径Di=1800mmDi=1800mm，圆圆圆圆筒筒筒筒的的的的计计计计算算算算长长长长度度度度L=10350mmL=10350mm，设设设设计计计计温温温温度度度度250250，壁壁壁壁厚附加量厚附加量厚附加量
42、厚附加量C=2mmC=2mm，材质，材质，材质，材质16MnR16MnR，E Et t=1.86410=1.864105 5 MPa MPa。第四节第四节 外压球壳与凸形封头的设计外压球壳与凸形封头的设计一、外压球壳和球形封头的设计一、外压球壳和球形封头的设计二、凸面受压封头的设计二、凸面受压封头的设计一、外压球壳和球形封头的设计一、外压球壳和球形封头的设计n n假设假设假设假设S Sn n，令，令，令，令S Se e=S=Sn n-C-C，而后定出比值，而后定出比值，而后定出比值，而后定出比值R Ro o/S/Se e值；值；值；值；n n用下式计算系数用下式计算系数用下式计算系数用下式计算
43、系数A A：n n根据所用材料选用图根据所用材料选用图根据所用材料选用图根据所用材料选用图11-411-411-911-9，在图的下方找出由，在图的下方找出由，在图的下方找出由，在图的下方找出由所得的所得的所得的所得的系数系数系数系数A A。n n若若若若A 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），再过此交点沿水平方向右移，的材料线相交（遇中间温度值用内插法
44、），再过此交点沿水平方向右移，的材料线相交（遇中间温度值用内插法），再过此交点沿水平方向右移，的材料线相交（遇中间温度值用内插法），再过此交点沿水平方向右移，在图的右方得到系数在图的右方得到系数在图的右方得到系数在图的右方得到系数B B，并按下式计算许用外压力，并按下式计算许用外压力，并按下式计算许用外压力，并按下式计算许用外压力pp：n n若若若若A A值落在设计温度下材料线的左方，按下式计算许用外压力值落在设计温度下材料线的左方，按下式计算许用外压力值落在设计温度下材料线的左方，按下式计算许用外压力值落在设计温度下材料线的左方，按下式计算许用外压力pp：n n比较比较比较比较p p与与与与
45、pp，若，若，若，若p ppp，则需再假设，则需再假设，则需再假设，则需再假设SnSn，重复上述计算步骤，重复上述计算步骤，重复上述计算步骤，重复上述计算步骤，直至直至直至直至pp大于且接近大于且接近大于且接近大于且接近p p时为止。时为止。时为止。时为止。二、凸面受压封头的设计二、凸面受压封头的设计n n受外压（凸面受压）的无折边球形封头，椭圆形封头，碟形封头受外压（凸面受压）的无折边球形封头，椭圆形封头，碟形封头受外压（凸面受压）的无折边球形封头，椭圆形封头，碟形封头受外压（凸面受压）的无折边球形封头，椭圆形封头，碟形封头所需的最小壁厚，按受外压球壳和球形封头图算法进行设计。所需的最小壁厚
46、，按受外压球壳和球形封头图算法进行设计。所需的最小壁厚，按受外压球壳和球形封头图算法进行设计。所需的最小壁厚，按受外压球壳和球形封头图算法进行设计。n n【注意注意注意注意】计算过程中对无折边球形封头和碟形封头：计算过程中对无折边球形封头和碟形封头：计算过程中对无折边球形封头和碟形封头：计算过程中对无折边球形封头和碟形封头：R Ro o取球面部取球面部取球面部取球面部分内半径；椭圆形封头取分内半径；椭圆形封头取分内半径；椭圆形封头取分内半径；椭圆形封头取R Ro o=KD=KDo o，KK为系数，标准椭圆封头取为系数，标准椭圆封头取为系数，标准椭圆封头取为系数，标准椭圆封头取K=0.9K=0.
47、9。【例题】n n试试试试设设设设计计计计一一一一外外外外压压压压椭椭椭椭圆圆圆圆形形形形封封封封头头头头的的的的壁壁壁壁厚厚厚厚。已已已已知知知知设设设设计计计计外外外外压压压压力力力力p=0.4MPap=0.4MPa，内内内内径径径径D Di i=1800mm=1800mm，封封封封头头头头内内内内壁壁壁壁曲曲曲曲面面面面高高高高度度度度h hi i=450mm=450mm，设设设设计计计计温温温温度度度度400400，壁厚附加量，壁厚附加量，壁厚附加量，壁厚附加量C=2mmC=2mm，材质，材质，材质，材质16MnR16MnR。第五节第五节 加强圈的设计加强圈的设计一、加强圈的作用与结构
48、一、加强圈的作用与结构二、加强圈的间距二、加强圈的间距三、加强圈尺寸设计三、加强圈尺寸设计四、加强圈与筒体间的连接四、加强圈与筒体间的连接一、加强圈的作用与结构一、加强圈的作用与结构n n1. 1. 加强圈的作用加强圈的作用加强圈的作用加强圈的作用n n设计外压圆筒时，在试算过程中，如果许用外压力设计外压圆筒时，在试算过程中，如果许用外压力设计外压圆筒时，在试算过程中，如果许用外压力设计外压圆筒时，在试算过程中，如果许用外压力pp小于设小于设小于设小于设计外压力计外压力计外压力计外压力p p，则必须增加圆筒的壁厚或缩短圆筒的计算长度。，则必须增加圆筒的壁厚或缩短圆筒的计算长度。，则必须增加圆筒
49、的壁厚或缩短圆筒的计算长度。，则必须增加圆筒的壁厚或缩短圆筒的计算长度。当圆筒的直径和厚度不变时，减小圆筒的计算长度可以提高当圆筒的直径和厚度不变时，减小圆筒的计算长度可以提高当圆筒的直径和厚度不变时，减小圆筒的计算长度可以提高当圆筒的直径和厚度不变时，减小圆筒的计算长度可以提高其临界压力，从而提高许用操作外压力。其临界压力，从而提高许用操作外压力。其临界压力，从而提高许用操作外压力。其临界压力，从而提高许用操作外压力。n n2. 2. 加强圈的结构加强圈的结构加强圈的结构加强圈的结构n n加强圈应有足够的刚性，常用扁钢、角钢、工字钢或其他型加强圈应有足够的刚性，常用扁钢、角钢、工字钢或其他型
50、加强圈应有足够的刚性，常用扁钢、角钢、工字钢或其他型加强圈应有足够的刚性，常用扁钢、角钢、工字钢或其他型钢，因为型钢截面惯性矩较大，刚性较好。钢，因为型钢截面惯性矩较大，刚性较好。钢，因为型钢截面惯性矩较大，刚性较好。钢，因为型钢截面惯性矩较大，刚性较好。二、加强圈的间距二、加强圈的间距钢制短圆筒的临界压力公式钢制短圆筒的临界压力公式圆筒的圆筒的D0、Se一定时，外压圆筒一定时，外压圆筒临界压力和允许最大工作外压临界压力和允许最大工作外压随着筒体加强圈间距随着筒体加强圈间距Ls的缩短而增加。的缩短而增加。如果筒体的如果筒体的D0、Se 确定，如使该筒体安全承受所规定的外压确定，如使该筒体安全承
51、受所规定的外压p所所需加强圈的最大间距值为：需加强圈的最大间距值为： 加强圈的个数等于圆筒不设加强圈的计算长度加强圈的个数等于圆筒不设加强圈的计算长度L除以所需加强圈除以所需加强圈间距间距LS再减去再减去1，即加强圈个数，即加强圈个数n=(L/Ls)-1。三、加强圈尺寸设计三、加强圈尺寸设计n n 根据圆筒的外压计算，根据圆筒的外压计算，根据圆筒的外压计算，根据圆筒的外压计算，D D0 0、LsLs和和和和SeSe均为已知，选定加强圈材均为已知，选定加强圈材均为已知，选定加强圈材均为已知，选定加强圈材料与截面尺寸并计算其横截面积料与截面尺寸并计算其横截面积料与截面尺寸并计算其横截面积料与截面尺
52、寸并计算其横截面积AsAs和加强圈与壳体有效段组合截和加强圈与壳体有效段组合截和加强圈与壳体有效段组合截和加强圈与壳体有效段组合截面的惯性矩面的惯性矩面的惯性矩面的惯性矩IsIs。n n用下式计算用下式计算用下式计算用下式计算B B值：值：值：值：n n 利利利利用用用用图图图图11-411-411-911-9，用用用用图图图图中中中中的的的的B B值值值值反反反反查查查查系系系系数数数数A A值值值值；若若若若图图图图中中中中无无无无交交交交点，则按下式计算点，则按下式计算点，则按下式计算点，则按下式计算A A值：值：值：值：n n计算加强圈与壳体组合截面所需的惯性矩计算加强圈与壳体组合截面
53、所需的惯性矩计算加强圈与壳体组合截面所需的惯性矩计算加强圈与壳体组合截面所需的惯性矩I I：n n比比比比较较较较I I与与与与IsIs，若若若若Is Is IIs I为止。为止。为止。为止。 四、加强圈与筒体间的连接四、加强圈与筒体间的连接n n加强圈可以设置在容器的内部或外部。加强圈可以设置在容器的内部或外部。加强圈可以设置在容器的内部或外部。加强圈可以设置在容器的内部或外部。n n如果加强圈焊在容器的外壁，焊缝总长度不应小于设备外圆周长如果加强圈焊在容器的外壁，焊缝总长度不应小于设备外圆周长如果加强圈焊在容器的外壁，焊缝总长度不应小于设备外圆周长如果加强圈焊在容器的外壁，焊缝总长度不应小
54、于设备外圆周长的的的的1/21/2，间断焊接的最大间距不得大于筒体名义壁厚的，间断焊接的最大间距不得大于筒体名义壁厚的，间断焊接的最大间距不得大于筒体名义壁厚的，间断焊接的最大间距不得大于筒体名义壁厚的8 8倍。倍。倍。倍。n n如果加强圈焊在容器内壁，则焊缝总长度不应小于内圆周长的如果加强圈焊在容器内壁，则焊缝总长度不应小于内圆周长的如果加强圈焊在容器内壁，则焊缝总长度不应小于内圆周长的如果加强圈焊在容器内壁，则焊缝总长度不应小于内圆周长的1/31/3，间断焊接的最大间距不得大于筒体名义壁厚的，间断焊接的最大间距不得大于筒体名义壁厚的，间断焊接的最大间距不得大于筒体名义壁厚的，间断焊接的最大间距不得大于筒体名义壁厚的1212倍。倍。倍。倍。
