化工设备设计基础第9章外压薄壁筒与封头的强度设计.ppt

第九章 外压薄壁圆筒与封头的设计 第一节 概 述 第二节 临界压力 第三节 外压圆筒的工程设计 第四节 外压球壳与凸形封头的设计 第五节 加强圈的设计 第一节 概 述 一、外压容器的失稳 二、容器失稳型式的分类 一、外压容器的失稳 外压容器：壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。 应力特点：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。 失效类型： 强度破坏（很少发生）； 失稳破坏（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服点时，筒壁就已经被突然压瘪或发生褶绉，即在一瞬间失去自身原来的形状。 弹性失稳：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复杂的附加应力。 二、容器失稳型式的分类 1. 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。 二、容器失稳型式的分类 1. 侧向失稳 二、容器失稳型式的分类 2. 轴向失稳 第二节 临界压力 一、临界压力 二、影响临界压力的因素 三、外压圆筒的分类 四、临界压力的理论计算公式 五、临界长度 一、临界压力 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。 导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力，以Pcr表示。 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σcr表示。 二、影响临界压力的因素 1. 筒体几何尺寸 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、筒体壁厚S以及筒体直径D，并且： ⑴ 长度L一定时，S/D越大，圆筒的临界压力越高； ⑵ 圆筒的S/D相同，筒体越短临界压力越高； ⑶ 筒体的S/D和L/D值均相同时，存在加强圈得筒体临界压力高。 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。对与封头相联的筒体来说，计算长度应计入凸形封头1/3凸面高度。 二、影响临界压力的因素 2. 筒体材料性能的影响 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E和泊松比μ值越大，抵抗变形的能力就越强，因而其临界压力也就越高。 【注意】钢材的E和μ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。 3. 筒体椭圆度和材料不均匀 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。 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。 载荷不对称性，边界条件等因素 三、外压圆筒的分类 1. 长圆筒 圆筒的L/D0较大，两端的边界影响可以忽略，临界压力Pcr仅与Se/D0有关，而与L/D0无关（L为圆筒的计算长度）。失稳时波形数n=2。 2. 短圆筒 两端的边界影响显著，临界压力Pcr不仅与Se/D0有关，而且与L/D0也有关，筒失稳时波形数n为大于2的整数。 3. 刚性圆筒 圆筒的L/D0较小，而Se/D0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，而不会发生失稳。 ※ 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。 四、临界压力的理论计算公式 1. 钢制长圆筒 四、临界压力的理论计算公式 2. 钢制短圆筒 四、临界压力的理论计算公式 3. 刚性圆筒 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。 五、临界长度 1. 长、短圆筒的临界长度 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。 五、临界长度 2. 短、刚性圆筒的临界长度 第三节 外压圆筒的工程设计 一、设计准则 二、外压圆筒壁厚设计的图算法 三、外压容器的试压 一、设计准则 1. 许用压力的确定 工程上在外压力等于或接近于临界压力pcr时进行操作是绝不允许的，必须使许用压力[p]比临界压力小m倍，即： m－稳定安全系数，根据GBl50－98《钢制压力容器》规定： 对圆筒、锥壳取m=3.0； 球壳、椭圆形和碟形封头取m=15。 2. 设计准则 必须使设计压力p≤[p]，并接近[p]，则所确定的筒体壁厚才是满足外压稳定的合理要求。 二、外压圆筒壁厚设计的图算法 1. 算图的由来 临界压力作用下，筒壁产生的环向应力σcr及应变ε为： 二、外压圆筒壁厚设计的图算法 1. 算图的由来 外压圆筒失稳时，筒壁的环向应变值与筒体几何尺寸（Se，D0，L）之间的关系 二、外压圆筒壁厚设计的图算法 1. 算图的由来 垂直线段（对应长圆筒）与倾斜直线（短圆筒）。曲线的转折点所表示的