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压力容器设计外压圆筒的设计计算压力容器是一种用于贮存和输送液体或气体的设备，它承受着高压环境下的压力。
外压圆筒是其中一种压力容器的设计方式，其承受的是外部环境对容器的压力作用。
在外压圆筒的设计过程中，需要考虑以下几个方面：1.材料的选择：选取适合承受高压的材料，例如碳钢、不锈钢等。
根据压力容器的使用环境和介质特性，选择合适的材料，以保证容器的安全性和可靠性。
2.外压力的计算：根据容器所在环境的压力情况，计算外压力的大小。
外压的计算包括静态外压和动态外压两种情况，其中静态外压是指容器承受的恒定外力，而动态外压则是指容器承受的变化外力。
3.壁厚的计算：根据外压力的大小和材料的强度特性，计算容器的壁厚。
壁厚的计算是为了保证容器在外压力作用下的强度和刚度，以防止容器发生破裂、变形等事故。
4.稳定性的计算：在设计容器的几何形状时，需要考虑外压力对容器的稳定性的影响。
通过计算容器的抗剪稳定系数和抗弯稳定系数，判断容器是否满足稳定的要求。
5.接头设计：容器的接头连接处是容器的弱点，容易发生泄漏和破裂等事故。
在外压圆筒的设计中，需要经过计算和分析，选择合适的接头类型和连接方式，以保证接头的强度和密封性能。
6.强度计算：容器在外压力作用下，需要具备足够的强度承受力。
通过计算容器的主应力和主应变，确定容器的强度和破坏情况。
7.辅助装置的设计：外压圆筒在使用过程中，需要配备相应的辅助装置，如止回阀、减压阀等，以确保容器内压力的稳定和安全。
在设计完成后，需要进行一系列试验和检验，以验证容器的设计是否满足安全和可靠的要求。
总之，外压圆筒的设计计算是一项复杂而重要的工作，需要充分考虑几个方面的因素，以确保容器在高压环境下的安全运行。
外压容器的设计计算哈尔滨市化工学校 徐 毅 李喜华 在外压容器设计时,筒体的壁厚计算按文献〔1〕和〔3〕应采用图算法。
图算法要先假设筒体的壁厚,通过查图表后计算使P≤〔P〕且较接近,则所设壁厚可用;否则应重新假设,直至满足为止。
为简化设计计算,本文将外压容器的解析法与图算法结合,使外压容器的壁厚的假设一次完成。
1 壁厚的计算按文献〔2〕外压容器壁厚的计算公式S≥D0(m pL2.6ED0)0.4+C(1)式中S———外压容器筒体的壁厚,mm;D0———外压容器的外径,mm;L———外压容器的计算长度, mm;C———壁厚附加量, mm;m———稳定系数, m=3;P———设计压力, MPa;E———材料在设计温度时的弹性模量, MPa;设壁厚为S,计算步骤如下:1.计算壁厚S0=S-C,算出所要设计筒体的L/D0和D0/S0值;2.按文献〔2〕在图6-10(文献〔2〕)的左侧纵坐标上找到L/D0值,由此点引水平线向右与相应D0/S0线相交。
若L/D0>50,则按L/D0=50查图,由交点沿铅垂方向向下求得横坐标系数A(即ε);3.根据筒体材料选用相应的材料温度线。
文献〔2〕中的图6-12、6-13、6-14,在图的下方横坐标找到由2求得的系数A,若A在材料温度线的右方,则由此点沿铅垂上移,与材料温度线相交,再将此点沿水平方向向右求得纵坐标系数B;4.按系数B用式〔P〕=BS0/D0〔2〕求得许用外压〔P〕;5.比较设计外压P与许用外压〔P〕,若P≤〔P〕,则所假设的壁厚可用。
6.根据钢板规格,最后确定所用钢板厚度。
2 计算实例设计氨合成塔的内筒,已知筒体外径D0= 410mm,计算长度L=4m,材料为oCr18Ni19Ti,弹性模量E=1.58×105MPa,壁温为480℃,壁厚附加量C=0.8m m,所受外压P=0.5MPa,试确定其壁厚。
由(1)式得: S≥D0(m pL2.6ED0)0.4+C=410 (3×0.5×4×1032.6×1.58×105×410)0.4+0.8=7.6mm假设壁厚S=7.6mm,计算S0=S-C=7.6-0.8 =6.8mm,L/D0=4/0.41=9.75D0/S0=410/6.8 =60.28按文献〔2〕在图6-10查得A=0.00032按文献〔2〕在图6-14查得B=34MPa 按文献〔2〕式〔P〕=BS0/D0=34×6.8/410 =0.57MPa比较P<〔P〕,即0.5MPa<0.57MPa,即假设壁厚可用。
第七章 外压容器设计
第一节 外压容器设计
【学习目标】 掌握外压容器稳定性概念，了解加强圈设置规定；掌握外压圆筒、封头、加强圈的设计计算；掌握外压容器压力试验规定。
一、外压容器的稳定性
容器在正常操作时，凡壳体外部压力高于内部者，均称为外压容器，这类容器有两种：真空容器；两个压力腔的夹套容器。
但是对于薄壁容器，承受外压作用时，往往在强度条件能够满足、应力远低于材料屈服强度的情况下，容器有可能因为不能保持自己原有的形状而出现扁塌，这种现象称为结构丧失了稳定性，即失稳。
失稳是由于外压容器刚度不足而引起的，因此，保证容器有足够的稳定性（刚度）是外压容器能够正常工作的必要条件，也是外压容器设计中首先应该考虑的问题。
按圆筒的破坏情况，外压圆筒可分为长圆筒、短圆筒和刚性圆筒三类。
长圆筒刚性最差，最易失稳，失稳时呈现两个波形。
短圆筒刚性较好，失稳时呈现两个以上的波形。
刚性圆筒具有足够的稳定性，破坏时属于强度失效。
1、临界压力
外压容器由原平衡状态失去稳定性而出现扁塌时对应的压力称之为临界压力（p cr ）。
影响临界压力的因素有：
① 圆筒的几何尺寸
δ/D （壁厚与直径的比值）、L /D （长度与直径的比值）是影响外压圆筒刚度的两个重要参数。
δ/D 的值越大，圆筒刚度越大，临界压力p cr 值也越大；L /D 的值越大，圆筒刚度越小，临界压力p cr 也越小。
② 材料的性能
材料的弹性模量E 值和泊松比μ值对临界压力有直接影响，但是这两个值主要由材料的合金成分来决定，对已有材料而言无法改变，因此讨论弹性模量E 值和泊松比μ值的影响意义不大。
③ 圆筒的不圆度
圆筒的不圆度会影响圆筒抵抗变形的能力，降低临界压力p cr ，因此在圆筒制造过程中要控制不圆度。
2、许用外压力
与内压容器强度设计要取安全系数类似，外压容器刚度设计也要设定稳定系数，我国标准规定外压容器稳定系数m=3，故许用外压力[]3cr p p ≤。
二、外压圆筒的计算长度
外压圆筒的计算长度对许用外压值影响很大。
从理论上说，计算长度的选取应是判断在该圆筒长度的两端能否保持足够的约束，使其真正能起支撑线的作用，从而在圆筒失稳时仍能保持圆形，不致被压塌。
支撑线系指该处的截面有足够的惯性矩，不致在圆筒失稳时也出现失稳现象。
圆筒计算长度，应取圆筒上两相邻支撑线之间的距离，见图7-1。
三、加强圈的设置
GB150.3第4章“外压圆筒和外压球壳”对加强圈的设置做出了规定。
1、加强圈可设置在容器的内部或外部，应整圈围绕在圆筒的圆周上。
加强圈两端的接合形式应按图7-2中A、B所示。
2、容器内部的加强圈，若布置成图7-2中C、D、E或F所示之结构时，则应取具最小惯性矩的截面进行计算。
3、在加强圈上需要留出如图7-2中D、E及F所示的间隙时，则不应超过图7-3规定的弧长，否则须将容器内部和外部的加强圈相邻两部分之间接合起来，采用如图7-2中C所示的结构。
但若能同时满足以下条件者可以除外：
a）每圈只允许一处无支撑的壳体弧长；
b）无支撑的壳体弧长不超过90°圆周；
c）相邻两加强圈的不受支撑的圆筒弧长相互交错180°；
d）圆筒计算长度L应取下列数值中的较大者：
——相间隔加强圈之间的最大距离；
——从封头切线至第二个加强圈中心的距离再加上1/3封头曲面深度。
图7-2 外压容器加强圈的各种布置图
4、容器内部的构件如塔盘等，若设计成起加强作用时，也可作加强圈用。
5、加强圈与圆筒之间可采用连续的或间断的焊接，当加强圈设置在容器外面时，加强圈每侧间断焊接的总长，应不少于圆筒外圆周长的1/2，当设置在容器里面时，应不小于圆筒内圆周长的1/3。
焊脚尺寸不得小于相焊件中较薄件的厚度。
间断焊缝的布置与间距可参照图7-4所示的型式，间断焊缝可以相互错开或并排布置。
最大间隙t，对外加强圈为8δn，对内加强圈为12δn。
图7-3 圆筒上加强圈允许的间断弧长值
图7-4 加强圈与圆筒的连接
四、外压圆筒的稳定性校核
GB 150.3第4章“外压圆筒和外压球壳”规定了外压圆筒的稳定性校核计算。
4.3.2 D 0/δe ≥20的圆筒 4.3.2.1 确定外压应变系数A
根据L/D o 和D o /δe 由图4-2或表4-2查取外压应变系数A 值 4.3.2.2 确定外压应力系数B
按所用材料，查表4-1确定对应的外压应力系数B 曲线图
4.3.2.3 确定许用外压力[]p
[]e
D B
p δ/0=
计算得到的[]p 应大于或等于c p ，否则须调整设计参数，重复上述计算，直到满足设计要求。
4.3.3 D 0/δe ＜20的圆筒（略）
五、外压封头的计算
1、外压球壳的计算
GB 150.3第4章“外压圆筒和外压球壳”规定了外压球壳的计算。
4.4.1 确定外压应变系数A
根据R o /δe ，用式（4-5）计算系数A 值：
()
e R A δ/125
.00=
4.4.2 确定外压应力系数B
按所用材料，查表4-1确定对应的外压应力系数B 曲线图，由A 值查取B 值（遇中间值用内插法）；
4.4.3 确定许用外压力[]p
根据B 值，按式（4-6）计算许用外压力[]p 值： []()
e R B
p 0=
计算得到的[]p 应大于或等于c p ，否则须调整设计参数，重复上述计算，直到满足设计要求。
2、受外压（凸面受压）椭圆形封头的计算
GB 150.3第5章“封头”规定了受外压（凸面受压）椭圆形封头的计算。
以下内容摘选自GB 150.3第5章“封头”。
5.3.3 凸面受压椭圆形封头的厚度计算应采用本部分第4章外压球壳设计方法，其中R 0为椭圆形封头的当量球壳外半径，R 0=K 1D 0。
K 1——由椭圆形长短轴比值决定的系数，见表5-2。
3、其他型式外压封头
六、外压圆筒加强圈的计算
GB 150.3第4章“外压圆筒和外压球壳”规定了外压圆筒加强圈的计算。
4.5.1.1 惯性矩计算
选定加强圈材料与截面尺寸，计算其横截面积A S 和加强圈与圆筒有效段组合截面的惯性矩I S ；圆筒有效段系指在加强圈中心线两侧有效宽度各为e D δ055.0的壳体。
若加强圈中心线两侧圆筒有效宽度与相邻加强圈的圆筒有效宽度相重叠，则该圆筒的有效宽度中相重叠部分每侧按一半计算。
4.5.1.2 确定外压应力系数B
按式（4-7）计算B 值：
()
s s e c L A D p B /0
+=
δ
（4-7）
4.5.1.3 确定外压应变系数A
a ）按所用材料，查表4-1确定对应的外压应力系数B 曲线图，由B 值查取A 值（遇中间值用内插法）；
b ）若B 值超出设计温度下曲线的最大值，则取对应温度下曲线的右端点的纵坐标值为
A 值；
c ）若B 值小于设计温度下曲线的最小值，则按式（4-8）计算A 值：
t
E
B
A 23=
（4-8） 4.5.1.4 确定所需的惯性矩I
按式（4-9）计算加强圈与圆筒组合段所需的惯性矩I 值：
()A
L A L D I s s e s 9
.10/20+=δ
（4-9）
I S 应大于或等于I ，否则须另选一具有较大惯性矩的加强圈，重复上述步骤，直到I S 大于
且接近I 为止。
第二节 外压容器计算示例
【学习目标】 在学习外压容器稳定性及外压容器图算法设计的基础上，通过外压容器计算示例，掌握外压容器的刚度设计。
计算示例
真空分馏塔的内径2000mm ，筒体长度为6000mm ，采用标准椭圆形封头。
筒体、封头拟用8mm 、Q345R 钢板制造，技术参数见下表，试设计该塔体加强圈。
技术参数表。
