11外压容器设计

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1、第十一章外压容器设计一、外压容器失稳外压容器：容器外部压力大于内部压力。石油、化工生产中外压操作，例如：石油分馏中的减压蒸馏塔、多效蒸发中的真空冷凝器、带有蒸汽加热夹套的反应釜真空干燥、真空结晶设备等。第一节概述失稳的概念：容器外压与受内压一样产生径向和环向应力，是压应力。也会发生强度破坏。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。失稳现象的实质：

2、外压失稳前，只有单纯的压缩应力，在失稳时，产生了以弯曲应力为主的附加应力。外压容器的失稳，实际上是容器筒壁内的应力状态由单纯的压应力平衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡。㈠　侧向失稳由于均匀侧向外压引起失稳叫侧向失稳。壳体横断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形，其波形数可以等于两个、三个、四个……。㈡　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。二、临界压力及其影响因素临界压力：导致筒体失稳的外压，Pcr临界应力：

3、筒体在临界压力作用下，筒壁内的环向压缩应力，以scr表示。外压低于Pcr，变形在压力卸除后能恢复其原先形状，即发生弹性变形。达到或高于Pcr时，产生的曲波形将是不可能恢复的。临界压力与哪些因素有关？失稳是固有性质，不是由于圆筒不圆或是材料不均或其它原因所导致。每一具体的外压圆筒结构，都客观上对应着一个固有的临界压力值。临界压力的大小与筒体几何尺寸、材质及结构因素有关。1.筒体几何尺寸长圆筒：刚性封头对筒体中部变形不起有效支撑，最容易失稳压瘪，筒体的L/D值较大，失稳时的临界压力与de/D有关,而与L/D无关

4、。出现波纹数n=2的扁圆形。短圆筒：两端封头对筒体变形有约束作用，临界压力与de/D有关,而且与L/D有关。失稳破坏波数n>2。刚性圆筒：若筒体较短，筒壁较厚，即L/D0较小，de/D0较大，容器的刚性好，不会因失稳而破坏。2.筒体材料性能薄壁筒体的临界压力与材料的屈服极限无关，而与材料的弹性模量E和泊桑比m有关。E、m值较大的材料抵抗变形的能力较强，其临界压力也较高。3.筒体的椭圆度和材料的不均匀性筒体的椭圆度大小和材料的不均匀性影响临界压力的大小。一、长圆筒式中Pcr-临界压力，MPa；de-筒体的有效

5、厚度，mm；D-筒体的平均直径，mmE-操作温度下圆筒材料的弹性模量，MPam-材料的泊桑比。长圆筒的临界压力计算公式：第二节薄壁筒体的临界压力计算公式分析：长圆筒的临界压力仅与圆筒的相对厚度de/D有关，而与圆筒的相对长度L/D无关。对于钢制圆筒，m=0.3，则二、短圆筒短圆筒的临界压力计算公式为：短圆筒临界压力与相对厚度de/D有关，也随相对长度L/D变化。L/D越大，封头的约束作用越小，临界压力越低。三、临界长度实际外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可根据临界长度Lcr来判定。当圆筒处于临界长度Lcr时，长

6、圆筒公式计算临界压力Pcr值和短圆筒公式计算临界压力Pcr值应相等得：当筒长度L≥Lcr，Pcr按长圆筒当筒长度L≤Lcr时，Pcr按短圆筒公式按规则圆形推的，实际圆筒总存在一定的不圆度，公式的使用范围必须要求限制筒体的圆度e。临界压力计算公式使用范围：临界压力计算公式在认为圆筒截面是规则圆形及材料均匀的情况下得到的。实际筒体都存在一定的圆度，不可能是绝对圆的，实际筒体临界压力将低于计算值。但即使壳体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，只不过是壳体的圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的

7、数值降低，使失稳提前发生。第三节外压圆筒的设计计算算法概述外压圆筒计算常遇到两类问题：一是已知圆筒的尺寸，求它的许用外压[p]；另一是已给定工作外压，确定所需厚度de。许用外压[p]圆度，长圆筒或管子一般压力达到临界压力值的l／2～1／3时就可能会被压瘪。大于计算压力的工况，不允许在外压力等于或接近于临界压力，必须有一定的安全裕度，使许用压力比临界压力小，即[p]-许用外压；m-稳定安全系数，m>1稳定安全系数m的选取主要考虑两个因素：一个是计算公式的可靠性；另一个是制造上所能保证的圆度。根据GB150-1

8、998《钢制压力容器》的规定m=3，圆度与D/de、L/D有关。设计外压容器由于Pcr或[p]都与筒体的几何尺寸（de、D、L）有关，通常采用试算法：设计外压容器，应使许用外压[p]小于临界压力Pcr，即稳定条件为：一、解析法求Pcr，确定[P]二、图算法长、短圆筒临界压力计算式均可归纳为K为特征系数，外压圆筒在临界压力下的周向应力为周向应变以A代替设计步骤利用算图确定外压圆筒厚度。步骤如下：1．D0/de≥20