第八章 外压容器设计

cr 0
e
0
根据筒体属性，确定其许用设计外压力 p ； 确定设计外压力p p p 且接近时，假设的壁厚可作为设计壁厚，相 差太大，假设的壁厚不合适，应重选，再重复以上 计算步骤，直至满足要求为止。
设计外压
设计外压：不小于正常工作过程中可能出现 的最大内外压力差。 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。
刚性筒
刚性筒是强度破坏，计算时只要满足强度要 求即可，其强度校核公式与内压圆筒相同。
pDi
t
d
2 p
C2
临界长度
当圆筒处于临界长度Lcr时，长圆筒公式计 算临界压力Pcr值和短圆筒公式计算临界压 力Pcr值应相等 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。
临界长度的计算公式
e 3 D e D0 0 2.2 E Lcr 1.17 D0 2.59 E e L D0 D 0
2.5
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。
设计思路
外压设计的总体思路：保证工作压力P小于许 用外压[P]
而[P]=Pcr/m m 决定于Pcr的准确程度、制造技术、焊缝 结构形式等因素。我国规定 m=3
8.2.1解析法：
根据容器的操作工况，选筒体材料； e n C1 C2 ； 假设壁厚 n ，确定有效壁厚 根据已知条件计算，与相比确定圆筒的长、短圆筒 属性； D L 1.17 D
8.3真空容器加强圈的计算
10.3.1加强圈的作用及结构要求 10.3.1.1作用 装上一定数量的加强圈，利用圈对筒壁的支撑作用， 可以提高圆筒的临界压力，从而提高其工作外压。 扁钢、角钢、工字钢等都以制作加强圈。
L e cr , L cr cr 1.3E e / D0 D0 在圆筒的外部或内部设置加强圈可以减小筒体的计
8.2.3外压容器的试压
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1.25倍的设计外压，即
pT 1.25 p
式中p-设计外压力，MPa； pT-试验压力，MPa。 气压试验
pT 1.15 p
夹套容器试压
夹套容器内筒如设计压力为正值时，按内压容器试 压；如设计压力为负值时按外压容器进行液压试验。 夹套容器液压试验合格后再焊接夹套。 夹套内压试验压力 pT 1.25 p t 夹套内压试验必须事先校核该容器在夹套试压时的 稳定性是否足够。 不满足稳定性，则液压试验时容器内保持一定压力， 以便在整个试压过程中，夹套与筒体的压力差不超 过设计值。
失稳现象的实质
失稳现象的实质：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
失稳的分类
侧向失稳 轴向失稳 局部失稳
侧向失稳
侧向失稳:由于均匀侧向外压引起的失稳称 为侧向失稳 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……。
8.2外压圆筒的设计
算法概述 外压筒体的设计与内压筒体相比，共同点都是要满 足强度条件，不同点的外压筒体要进行稳定性校核， 为提高稳定性，常设有加强圈，这使受力和稳定性 计算变得更为复杂，初始椭圆度也会导致失稳压力 降低，因此对椭圆度要严格控制，不同几何特性的 外压筒体会出现不同的破坏形式，相应要用不同方 式进行计算，设计一个外压筒体要先作假设（假设 tn 壁厚 ），经反复计算校核后才能完成。 工程上设计外压容器多辅以算图来简化设计过程， 常用方法解析法和图算法。
临界压力:导致筒体失稳的外压,以 Pcr 表示 临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁内 的环向压缩应力，以 cr 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?
1、材料的弹性模量E、泊松比 有关
长圆筒
长圆筒的临界压力计算公式： 3 2E e pcr 2 1 D0 勃莱斯公式 式中：Pcr-临界压力， MPa； de-筒体的有效厚度， mm； D0-筒体的外直径， D0 Di 2 n mm E-操作温度下圆筒材料的弹性模量， MPa -材料的泊松比。
L 50 D0 L 50 D0
查图，交点对
3、根据所用材料，设计温度，从A-B关系图（图 814-7至图14-9）中选用，读出B值，计算许用外 压力[p]：
许用外压力[p]：
诺A点处于温度线的右方（非弹性失稳，E 非定值），由此点垂直上移，与材料的温度 线的交点（中间值采用内插法）所对应的纵 B 坐标值为B； p
1.5

算长度（两刚性构件之间的最大距离）
8.3.1.2结构
加强圈应有足够的刚性，常用角钢、扁钢、工字钢 或其他型钢制成，因为型钢的截面惯性矩大且成型 方便，容器内构件如塔盘，若设计成起加强作用时， 也可作加强圈用。 加强圈可设置在容器的内部或外部，通常采用连续 焊缝或间隙焊缝与筒体相连，设置在筒外的加强圈， 每侧间断焊缝的总长应不小于容器外周长的1/2， 在筒体的内部时，应不小于筒体内周长的1/3，加 强圈两侧的间断焊缝可以相互错开或并排布置，焊 8 e 缝间的最大间隙，外加强圈为 ，内加强圈为 。
例：
某圆筒形容器，其内径2400mm，长 14000mm，，两标准椭圆形封头，直边高 度为50mm，材料为0Cr18Ni9，最高温度 为480C，真空下操作，无安全控制装置， 腐蚀余量为0，分别用解析法和算图法求筒 体厚度。
例：
分馏塔内径2000mm，塔身(不包括椭圆形 封头)长度为6000mm，封头深度500mm。 370℃及真空条件下操作。现库存有9、12、 14mm厚20g钢板。能否用这三种钢板制造。
p
e
B
2 2 AE cr 3 3
B与A的关系
利用材料单向拉伸应力－应变曲线，纵坐标 按2/3的比例缩小，得B与A的关系曲线 由A查图14-7至图14-9得到B
B
2 B与A的关系是 cr 与 cr的关系 3
p D0
e
p
B D0 e
第八章 外压容器
8.1外压容器失稳与临界压力
8.1.1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。 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。
E 、 pcr
2、容器的几何特性尺寸 L / D0、e / D0
L / D0不变， e /D0 pcr
e / D0不变，L/D0 pcr
3、容器的几何形状的偏差也会降低临界压 力 pcr （如椭圆度）
外压圆筒的分类
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，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， 失稳破坏波数n>2，出现三波、四波等的曲 形波。 刚性圆筒：若筒体较短，筒壁较厚，即 e / D0 较大，容器的刚性好，不会 L/D0较小， 因失稳而破坏。
利用图算法可使外压容器的设计计算简便但 仍需试算
算图
算图
设计步骤
1、假设
n
,计算 e n C1 C2,定出
L / D0
、D0 / n 值；
2、根据几何特性尺寸按图14-6纵坐标找到 L / D0 值， 由此点沿水平方向右移与线D0 / n 相交（遇中间值 则用内插法，若 ，用 应的横坐标的值为A；
12 e
结构图
加强圈不得任意削弱或割断，水平容器加强 圈须开排液小孔。允许割开或削弱而不需补 强的最大弧长间断值，留出的间隙弧长应符 合GB150的规定。
8.3.2加强圈的设计计算及步骤
2
短圆筒
米赛斯公式:
3 2 e 2 E 2n 1 n 1 2 12 1 2 D0 nL 1 R0
Байду номын сангаас
Pcr
E e nL 2 R0 n 2 1 1 R 0
8.2.2图算法
工程上设计外压容器多辅以算图来简化 设计过程，常用的方法有解析法和图算法， GB150推荐的是图算法
图算法
外压筒体的稳定性校核是以米赛斯公式为基 础，经简化制成算图进行计算的。
A cr
cr
E

pcr D0 2 AE e p 2 e E D0
pcr 2 AE 2 AE m D D m 0 3 0 e e p D0 , 可得 令B
分析：
长圆筒的临界压力仅与圆筒的相对厚度 e / D0 有关，而与圆筒的相对长度L/D0无关。 3 对于钢制圆筒，m=0.3，则 e
pcr 2.2 E D 0
适用于弹性失稳,非弹性失稳误差较大, 失稳时的周向临界应力
e Pcr D0 cr 1.1E 2 e D 0
1.5