1、第三节第三节 外压圆筒设计外压圆筒设计1/50一、外压容器失稳一、外压容器失稳外压容器：容器外部压力大于内部外压容器：容器外部压力大于内部压力。压力。石油、化工生产中外压操作，比如：石油、化工生产中外压操作，比如：石油分馏中减压蒸馏塔、石油分馏中减压蒸馏塔、多效蒸发中真空冷凝器、多效蒸发中真空冷凝器、带有蒸汽加热夹套反应釜带有蒸汽加热夹套反应釜 真空干燥、真空结晶设备等。真空干燥、真空结晶设备等。2/50失稳概念：失稳概念：容器外压与受内压一样产生径向和环向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。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形状，容
2、器强度足够却突然失去了原有形状，筒壁被压瘪或发生褶绉，筒壁圆环截筒壁被压瘪或发生褶绉，筒壁圆环截面一瞬间变成了曲波形。这种在外压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现象作用下，筒体突然失去原有形状现象称弹性失稳。称弹性失稳。容器发生弹性失稳将使容器不能维持正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。常操作，造成容器失效。3/50失稳现象实质：失稳现象实质：外压失稳前，只有单纯压缩应力，外压失稳前，只有单纯压缩应力，在失稳时，产生了以弯曲应力为主在失稳时，产生了以弯曲应力为主附加应力。附加应力。外压容器失稳，实际上是容器筒壁外压容器失稳，实际上是容器筒壁内应
3、力状态由单纯压应力平衡跃变内应力状态由单纯压应力平衡跃变为主要受弯曲应力新平衡。为主要受弯曲应力新平衡。4/50二、容器失稳形式二、容器失稳形式5/50侧向失稳侧向失稳v因为均匀侧向外压引发失稳叫侧因为均匀侧向外压引发失稳叫侧向失稳。向失稳。v壳体横断面由原来圆形被压瘪而壳体横断面由原来圆形被压瘪而展现波形，其波形数能够等于两展现波形，其波形数能够等于两个、三个、四个个、三个、四个。6/50轴向失稳轴向失稳 v薄壁圆筒承受轴向薄壁圆筒承受轴向外压，当载荷到达外压，当载荷到达某一数值时，也会某一数值时，也会丧失稳定性。丧失稳定性。v失稳，仍含有圆环失稳，仍含有圆环截面，但破坏了母截面，但破坏了母
4、线直线性，母线产线直线性，母线产生了波形，即圆筒生了波形，即圆筒发生了褶绉。发生了褶绉。7/50 局部失稳局部失稳在支座或其它支承处以及在支座或其它支承处以及在安装运输中因为过大局部在安装运输中因为过大局部外压也可能引发局部失稳。外压也可能引发局部失稳。8/50三、临界压力计算三、临界压力计算临界压力：造成筒体失稳外压，临界压力：造成筒体失稳外压，P Pcrcr临界应力：筒体在临界压力作用下，临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁内环向压缩应力，以筒壁内环向压缩应力，以s scrcr表示。表示。外压低于外压低于P Pcrcr，变形在压力卸除后能，变形在压力卸除后能恢复其原先形状，即发生弹性变形。
5、恢复其原先形状，即发生弹性变形。到达或高于到达或高于P Pcrcr时，产生曲波形将是时，产生曲波形将是不可能恢复。不可能恢复。9/50临界压力与哪些原因相关临界压力与哪些原因相关？失稳是固有性质，不是因为圆筒失稳是固有性质，不是因为圆筒不圆或是材料不均或其它原因不圆或是材料不均或其它原因所造成。所造成。每一详细外压圆筒结构，都客观每一详细外压圆筒结构，都客观上对应着一个固有临界压力值。上对应着一个固有临界压力值。临界压力大小与筒体几何尺寸、临界压力大小与筒体几何尺寸、材质及结构原因相关。材质及结构原因相关。10/50依据失稳情况将外压圆筒分为三类：依据失稳情况将外压圆筒分为三类：长圆筒：刚性封
6、头对筒体中部变形不长圆筒：刚性封头对筒体中部变形不起有效支撑，最轻易失稳压瘪，出现起有效支撑，最轻易失稳压瘪，出现波纹数波纹数n=2n=2扁圆形。扁圆形。短圆筒：两端封头对筒体变形有约束短圆筒：两端封头对筒体变形有约束作用，失稳破坏波数作用，失稳破坏波数n2n2，出现三波、，出现三波、四波等曲形波。四波等曲形波。刚性圆筒：若筒体较短，筒壁较厚，刚性圆筒：若筒体较短，筒壁较厚，即即L L/D D0 0较小，较小，d de e/D D0 0较大，容器刚性好，较大，容器刚性好，不会因失稳而破坏。不会因失稳而破坏。11/50 长圆筒长圆筒 式中式中 P Pcrcr-临界压力，临界压力，MPa MPa；
7、d de e-筒体有效厚度，筒体有效厚度，mm mm；D D0 0-筒体外直径，筒体外直径，mm mmE Et t-操作温度下圆筒材料弹性模量，操作温度下圆筒材料弹性模量，MPa MPa m m-材料泊桑比。材料泊桑比。长圆筒临界压力计算公式：长圆筒临界压力计算公式：12/50v分析：分析：长圆筒临界压力仅与圆筒相对长圆筒临界压力仅与圆筒相对厚度厚度d de e/D D0 0相关，而与圆筒相对长相关，而与圆筒相对长度度L L/D D0 0无关。无关。对于钢制圆筒，对于钢制圆筒，m m=0.3=0.3，则，则13/50 短圆筒短圆筒短圆筒临界压力计算公式为：短圆筒临界压力计算公式为：短圆筒临界压
8、力与相对厚度短圆筒临界压力与相对厚度d de e/D D0 0相关，也随相对长度相关，也随相对长度L L/D D0 0改变。改变。L L/D D0 0越大，封头约束作用越小，越大，封头约束作用越小，临界压力越低。临界压力越低。14/50L L为筒体计算为筒体计算长度，指两长度，指两相邻加强圈相邻加强圈间距；间距；对与封头相连对与封头相连接那段筒体接那段筒体而言，应计而言，应计入凸形封头入凸形封头中中1/31/3凸面高凸面高度。度。15/50临界压力计算公式使用范围：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情况下得到。规则圆形及
9、材料均匀情况下得到。实际筒体都存在一定圆度，不可能是实际筒体都存在一定圆度，不可能是绝对圆，实际筒体临界压力将低于计绝对圆，实际筒体临界压力将低于计算值。算值。但即使壳体形状很准确和材料很均匀，但即使壳体形状很准确和材料很均匀，当外压力到达一定数值时，也会失稳，当外压力到达一定数值时，也会失稳，只不过是壳体圆度与材料不均匀性能只不过是壳体圆度与材料不均匀性能使其临界压力数值降低，使失稳提前使其临界压力数值降低，使失稳提前发生。发生。16/50 刚性筒刚性筒 刚性筒是强度破坏，计算时只刚性筒是强度破坏，计算时只要满足强度要求即可，其强要满足强度要求即可，其强度校核公式与内压圆筒相同。度校核公式与
10、内压圆筒相同。17/50 临界长度临界长度实际外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，实际外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可依据临界长度可依据临界长度L Lcrcr来判定。来判定。当圆筒处于临界长度当圆筒处于临界长度L Lcrcr时，长圆筒时，长圆筒公式计算临界压力公式计算临界压力P Pcrcr值和短圆筒公值和短圆筒公式计算临界压力式计算临界压力P Pcrcr值应相等值应相等18/50得：得：v当筒长度当筒长度L LL Lcrcr，P Pcrcr按长圆筒按长圆筒 v 当筒长度当筒长度LLL Lcrcr时，时，P Pcrcr按短圆筒按短圆筒公式按规则圆形推，实际圆筒总公式按规则圆形推，实际圆筒总存在一定不圆度，
11、公式使用范围必存在一定不圆度，公式使用范围必须要求限制筒体圆度须要求限制筒体圆度e e。19/50四、外压圆筒设计四、外压圆筒设计 算法概述算法概述 外压圆筒计算常碰到两类问题：外压圆筒计算常碰到两类问题：一是已知圆筒尺寸，求它许用外压一是已知圆筒尺寸，求它许用外压 p p；另一是已给定工作外压，确定所需厚另一是已给定工作外压，确定所需厚度度d de e。20/501 1许用外压许用外压 p p 圆度，长圆筒或管子普通压力到达圆度，长圆筒或管子普通压力到达临界压力值临界压力值 l l2 21 13 3时就可能时就可能会被压瘪。会被压瘪。大于计算压力工况，不允许在外压大于计算压力工况，不允许在外
12、压力等于或靠近于临界压力，必须力等于或靠近于临界压力，必须有一定安全裕度，使许用压力比有一定安全裕度，使许用压力比临界压力小，即临界压力小，即p-许用外压；许用外压；m-稳定安全系数，稳定安全系数，m121/50稳定安全系数稳定安全系数m m选取选取主要考虑两个原因：主要考虑两个原因：一个是计算公式可靠性；一个是计算公式可靠性；另一个是制造上所能确保圆度。另一个是制造上所能确保圆度。依据依据GB150-1998GB150-1998钢制压力容器钢制压力容器要求要求m m=3=3，圆度与，圆度与D D0 0/d de e、L L/D D0 0相相关。关。22/5023/502 2设计外压容器设计外
13、压容器因为因为P Pcrcr或或 p p 都与筒体几何尺寸都与筒体几何尺寸（d de e、D D0 0、L L）相关，通常采）相关，通常采取试算法：取试算法：设计外压容器，应使许用外压设计外压容器，应使许用外压 p p 小于临界压力小于临界压力P Pcrcr，即稳定条，即稳定条件为：件为：24/50试算法：由工艺条件试算法：由工艺条件定内径和筒体长度定内径和筒体长度先假定一个先假定一个d de e，依据筒体计算长度判断属于长圆筒还是依据筒体计算长度判断属于长圆筒还是短圆筒，再代入对应临界压力计算式。短圆筒，再代入对应临界压力计算式。求出对应求出对应 p p,然后比较然后比较 p p 是否大于或
14、靠近设计压力是否大于或靠近设计压力p p，以判断假设是否合理。以判断假设是否合理。25/50设计外压：设计外压：大于正常工作过程中可能出现最大内外压力差。真空容器：有安全控制装置（真空泄放阀），取1.25倍最大内外压差或0.1MPa中较小值；无安全控制装置，取0.1MPa带夹套容器：真空设计压力再加上夹套设计压力。26/50（二）（二）图算图算 长、短圆筒临界压力长、短圆筒临界压力计算式均可归纳为计算式均可归纳为K K为特征系数，为特征系数，外压圆筒在临界压力下周向应力为外压圆筒在临界压力下周向应力为27/50周向应变以A代替28/5029/50（三）（三）外压圆筒厚度设计方法外压圆筒厚度设计
15、方法 利用算图确定外压圆筒厚度。步利用算图确定外压圆筒厚度。步骤以下：骤以下：1 1 D D0 0/d de e2020外压圆筒及外压管外压圆筒及外压管a.a.假设假设d dn n,计算计算d de ed dn n-C C,定出定出L L/D D0 0、D D0 0/d de e值值 b.b.在图在图4-15 4-15 外压或轴压受压圆筒外压或轴压受压圆筒和管子几何参数计算图中得到系数和管子几何参数计算图中得到系数A A；30/50 c.c.依据所用材料，从依据所用材料，从A-BA-B关关系图（图系图（图4-164-16至图至图4-204-20）中选）中选取，读出取，读出B B值，并按式（值，
16、并按式（4-4-2525）或（）或（4-264-26）计算许用外压）计算许用外压力力 p p：31/50d.d.比较许用外压比较许用外压 p p 与设计外压与设计外压p pv若若p pp p，假设厚度，假设厚度d dn n可用，若可用，若小得过多，可将小得过多，可将d dn n适当减小，重适当减小，重复上述计算复上述计算v若若p p p p，需增大初设，需增大初设d dn n，重复，重复上述计算，直至使上述计算，直至使 p p p p且靠近且靠近p p为止。为止。32/502.2.D D0 0/d de e2020外压圆筒及外压管子外压圆筒及外压管子a a用与用与D D0 0/d de e20
17、20相同方法得到系相同方法得到系数数B B，但对，但对D D0 0/d de e4 4圆筒及管子计算圆筒及管子计算系数系数A A值：值：系数系数A A0.10.1时，取时，取A=0.1A=0.1；33/50b b计算计算 p p l l和和 p p 2 2。取。取 p p l l和和 p p 2 2中较小值为许用外压中较小值为许用外压 p p s s0 0取以下两式中较小值取以下两式中较小值34/50c c比较许用外压比较许用外压 p p 与设计外压与设计外压p pv若若p pp p，假设厚度，假设厚度d dn n可用，若可用，若小得过多，可将小得过多，可将d dn n适当减小，重适当减小，重
18、复上述计算复上述计算v若若p p p p，需增大初设，需增大初设d dn n，重复，重复上述计算，直至使上述计算，直至使 p p p p且靠近且靠近p p为止。为止。35/50五、外压容器试压五、外压容器试压外压容器和真空容器按内压容外压容器和真空容器按内压容器进行液压试验，试验压力取器进行液压试验，试验压力取1.251.25倍设计外压，即倍设计外压，即 式中式中p p-设计外压力，设计外压力，MPaMPa；p pT T-试验压力，试验压力，MPaMPa。36/50v夹套容器内筒如设计压力为正夹套容器内筒如设计压力为正值时，按内压容器试压；如设值时，按内压容器试压；如设计压力为负值时按外压容器
19、进计压力为负值时按外压容器进行液压试验。行液压试验。37/50v夹套容器液压试验合格后再焊接夹夹套容器液压试验合格后再焊接夹套。夹套内压试验压力套。夹套内压试验压力v夹套内压试验必须事先校核该容器夹套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。在夹套试压时稳定性是否足够。v不满足稳定性，则液压试验时容器不满足稳定性，则液压试验时容器内保持一定压力，方便在整个试压内保持一定压力，方便在整个试压过程中，夹套与筒体压力差不超出过程中，夹套与筒体压力差不超出设计值。设计值。38/50例例4-34-3：分馏塔内径：分馏塔内径mmmm，塔身，塔身(不包含椭圆形不包含椭圆形封头封头)长度为长度为6
20、000mm6000mm，封头深度，封头深度500mm500mm。370370及真空条件下操作。现库存有及真空条件下操作。现库存有9 9、1212、14mm14mm厚厚20g20g钢板。能否用这三种钢板制造。钢板。能否用这三种钢板制造。塔计算长度塔计算长度钢板负偏差均为钢板负偏差均为0.8mm0.8mm钢板腐蚀裕量取钢板腐蚀裕量取1mm1mm。有效厚度为有效厚度为7.27.2、10.210.2和和12.2mm12.2mm。简化计算，有效厚度简化计算，有效厚度7 7、1010和和12mm12mm39/50当当d de e=7mm=7mm时时查图查图4-154-15得得A=0.000085A=0.0
21、00085。20g20g钢板钢板s ss s=250MPa=250MPa（查附录（查附录6 6），查图），查图4-174-17，A A值点值点落在材料温度线得左方，故落在材料温度线得左方，故20g20g钢板钢板370370时时E E=1.6910=1.69105 5MPaMPa p p 0.1MPa0.1MPa，所以，所以9mm9mm钢板不能用。钢板不能用。40/50当当d de e=10mm=10mm时时查图查图4-154-15得得A=0.000013A=0.000013。查图。查图4-174-17，A A值所值所在点仍在材料温度线得左方，故在点仍在材料温度线得左方，故 p p 0.1MPa
22、0.1MPa，所以，所以12mm12mm钢板也不能用。钢板也不能用。41/50当当d de e=12mm=12mm时时 查图查图4-154-15得得A=0.000018A=0.000018。查图。查图4-174-17，A A值所值所在点仍在材料温度线得左方，故在点仍在材料温度线得左方，故 p p 0.1MPa0.1MPa，所以，须采取，所以，须采取14mm14mm厚厚20g20g钢板制造。钢板制造。42/50六、加强圈六、加强圈内径内径mmmm、全长、全长7000mm7000mm分馏塔，要分馏塔，要确保在确保在0.1MPa0.1MPa外压下安全操作，外压下安全操作，须用须用14mm14mm厚钢
23、板。较簿钢板满足厚钢板。较簿钢板满足不了外压要求。不了外压要求。装上一定数量加强圈，利用圈对筒装上一定数量加强圈，利用圈对筒壁支撑作用，能够提升圆筒临界压壁支撑作用，能够提升圆筒临界压力，从而提升其工作外压。力，从而提升其工作外压。43/50扁钢、角钢、工字钢等都以制扁钢、角钢、工字钢等都以制作加强圈。作加强圈。44/50加强圈最大间距：加强圈最大间距：外压圆筒加强圈间距已选定，可外压圆筒加强圈间距已选定，可按上述图算法确定出筒体厚度；按上述图算法确定出筒体厚度；假如筒体假如筒体D D0 0/d de e已确定，可从下式已确定，可从下式解出加强圈最大间距：解出加强圈最大间距：加强圈实际间距如小
24、加强圈实际间距如小于或等于算出间距，于或等于算出间距，表明该圆筒能安全承表明该圆筒能安全承受设计压力。受设计压力。45/50加强圈安装制造加强圈安装制造v加强圈可设置在容器内部或外加强圈可设置在容器内部或外部。部。46/50v加强圈可设置在容器内部或外部。加强圈可设置在容器内部或外部。连续或间断焊接，当加强圈在外连续或间断焊接，当加强圈在外面时，每侧间断焊接总长度不应小面时，每侧间断焊接总长度不应小于圆筒外圆周长于圆筒外圆周长1/21/2；在里面，焊缝总长度不应小于内在里面，焊缝总长度不应小于内圆周长度圆周长度1/31/3。间断焊最大间距，外加强圈不能间断焊最大间距，外加强圈不能大于筒体名义厚
25、度大于筒体名义厚度8 8倍；内加强圈倍；内加强圈不能大于筒体名义厚度不能大于筒体名义厚度1212倍倍47/50为确保强度，加强圈不能任意减弱或割断。为确保强度，加强圈不能任意减弱或割断。水平容器加强圈须开排液小孔。允许割开水平容器加强圈须开排液小孔。允许割开或减弱而不需补强最大弧长间断值。或减弱而不需补强最大弧长间断值。48/50思索题思索题 ：1.1.外压圆筒失稳形式有哪些？外压圆筒失稳形式有哪些？2.2.影响外压圆筒临界压力原因影响外压圆筒临界压力原因有哪些？有哪些？3.3.外压圆筒上设置加强圈目标外压圆筒上设置加强圈目标是什么？是什么？49/50作作 业业习题：习题：P307 9P307 9，1111，121250/50
