第四章 外压圆筒与封头的设计

2）钢制短圆筒
临界压力公式：
( p 2.59 E
' cr t
e
L为计算长度 从公式看，短圆筒临界压力大小 与何因素有关？ 除了与材料物理性质有关外， 与圆筒的厚径比和长径比均有关。 试验结果证明：短圆筒失稳时 的波数为大于2的整数。
Do L Do
)
2.5
3）刚性圆筒
刚性圆筒——不会因失稳而破坏。 破坏形式是强度破坏，即压缩应力 许用外压力计算公式为：
第五章 外压圆筒与封头的设计
教学重点：
临界压力及外压圆筒的工程设计方法
教学难点：
临界压力
本章主要内容
临界压力★ ★ ★ 外压圆筒的工程设计★ ★ ★
外压球壳与凸形封头的设计★
外压圆筒加强圈的设计★ ★
5.1 概述 5.1.1.外压容器的失稳 失效的方式
对干外压容器来说，失效的方式有两种： 一种因压缩 强度不足 而破坏； 另一种是 失稳 破坏。 所以外压容器的设计包括强度计算和稳定性校 核两个方面。
压力与应力关系
pc Do 2 e
pcr Do t e cr 1.1E 2 e D o
2
长圆筒临界应力：
短圆筒临界应力： 'cr
p 'cr Do 1.3E t 2 e L / D0
e / D0
1.5
结论：影响临界应力的因素：几何尺寸、Et
(2) 在图5-5的左方
找出L／D0 ＝5.7的 点，将其水平右移， 与D0 / δe ＝152的 点交于一点，再将 点下移，在图的下 方得到系数A＝ 0.00011；
(3)在图5-6的下方找到系数A＝0.00011所对应的点，此点落 在材料温度线的左方，故 [p]：

1
本节重点
外压容器设计参数的规定； 设置加强圈的目的及结构要求 。
本 节 完
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由该式建立B与A的关系图
第三节 外压圆筒的设计计算
工程设计方法
外压圆筒 （Do／te）
薄壁圆筒（Do／te≥20）
失稳
Do／te＝20
厚壁圆筒（Do／te＜20）
失稳
强度失效
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
Do/te≥20薄壁筒体，稳定性校核：
c. 由材料选——厚度计算图（图4-12～图4-15）
（b）
A在材料线左方时， ，按(b)式计算许用外压[p]：
系 数 A
设计温度
根据
(a)
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
图算法求解过程
第三节 外压圆筒的设计计算
pc＞[p]——假设tn不合理 ——重设tn，直到满足
pc≤[p]且较接近—— 假设的名义厚度tn合理
容器外部：焊接的总长不小于 筒体外圆周长的1/2
3、加强圈的结构设计
工字钢
其它型钢
常用 型钢
扁钢
角钢
材料：多为碳素钢。 筒体为贵重金属，在筒体外部设置碳素钢加强圈， 节省贵重金属。
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
第四章 外压容器设计
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
特点：反复试算，比较繁琐。
图算法
解析法
外压圆筒设计
第三节 外压圆筒的设计计算
图算法原理：（标准规范采用）
03
为避开材料的弹性模量E（塑性状态为变量），采用应变表征失稳时的特征：

外压薄壁圆筒与封头的强 度设计
• 引言 • 外压薄壁圆筒的基本理论 • 封头的设计与计算 • 外压薄壁圆筒与封头的强度校核 • 案例分析 • 结论与展望
01
引言
主题介绍
01
外压薄壁圆筒与封头是压力容器 的重要组成部分，其强度设计直 接关系到压力容器的安全性能和 使用寿命。
02
外压薄壁圆筒与封头的强度设计 涉及到材料、工艺、结构等多个 方面，需要综合考虑各种因素， 确保设计的安全性和可靠性。
校核方法
采用有限元分析、实验测试和工程经验相结合的方法，对外压薄壁圆筒与封头进 行强度校核。
薄壁圆筒的强度校核
周向应力校核
根据薄壁圆筒承受外压时的受力状态，计算周向 应力并进行校核。
轴向应力校核
考虑薄壁圆筒的长度和直径之比，计算轴向应力 并进行校核。
径向应力校核
根据薄壁圆筒的径向受力状态，计算径向应力并 进行校核。
02
外压薄壁圆筒的基本理论
外压薄壁圆筒的定义
定义
外压薄壁圆筒指的是承受外部压 力的薄壁圆筒结构，通常由金属 材料制成，具有较薄的壁厚。
特点
外压薄壁圆筒具有较高的承载能 力和较轻的重量，广泛应用于石 油、化工、食品等行业的压力容 器制造。
外压薄壁圆筒的受力分析
受力类型
外压薄壁圆筒主要承受外部压力、自 身重力和其他附加载荷，如温度、振 动等。
02
封头强度的计算
03
安全系数的确定
根据封头的受力分析和应力分析 结果，结合材料属性和设计规范， 进行封头强度的计算。
根据计算结果和设计要求，确定 安全系数，以确保封头的安全可 靠性。
04
外压薄壁圆筒与封头的强度校核
强度校核的原则和方法

第四节 外压容器设计
1.外压容器：容器外部压力大于内部压力。
2.石油、化工生产中常有外压操作设备，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。
3.失稳现象
1）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。
2)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。
3)刚性圆筒：若筒体较短，筒壁较厚，即L/D0较小，δe/D0较大，
容器的刚性好，不会因失稳而破坏。
(1) 长圆筒
a.长圆筒的临界压力计算公式：
pcr
2Et
1
2
( e )3
D0
(式中: Pcr-临界压力，Mpa; δ e-筒体的有效厚度，mm；μ-材料的泊松比。 D0-筒体的外直径，mm;Et-操作温度下圆筒材料的弹性模量，Mpa)
2）容器强度足够(即：圆筒工作压力远低于材料的屈服极限)却突然失去了原 有的形状，筒壁被压瘪或发生褶皱，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。
3）发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作，造成容器失效。 4）外压容器失效形式有2种： 刚度不够引起的失稳（主要失效形式）； 强度不够引起的破坏，
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。e 0.5%
根据GB150-2010《钢制压力容器》的规定m=3，圆度与D0/ δ e、L/D0 有关。
2．设计外压容器
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 pcr m[ p]
由于Pcr或[p]都与筒体的几何尺寸（ δ e、D0、L）有关，通常