外壓容器穩(wěn)定性分析與設(shè)計

1、1,,外壓容器穩(wěn)定性分析與設(shè)計,2007年7月,武漢工程大學(xué)化工設(shè)備設(shè)計研究所,2,本次課程主要內(nèi)容,1、外壓容器概念2、失效形式3、外壓圓筒的設(shè)計4、圖算法原理,3,外壓容器概念,,1、外壓容器,器壁的外部壓力大于內(nèi)部壓力,如真空貯槽、減壓精餾塔、有蒸汽夾套的反應(yīng)釜,2、外壓容器的失效形式,一種是因強度不足而導(dǎo)致破壞發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,3、外壓容器的失穩(wěn),當(dāng)容器所受的外壓達到某極限值時，橫斷面會突然失去原形，被壓扁或出現(xiàn)波紋。,,,

2、4,1、外壓容器,,外壓容器的設(shè)計,強度計算和穩(wěn)定性校核兩方面外壓容器強度計算的公式與內(nèi)壓容器相同，只是應(yīng)力的符號相反，即壓力在器壁中產(chǎn)生壓應(yīng)力,臨界壓力,外壓容器發(fā)生失穩(wěn)時的最低外壓力，稱為臨界壓力。 其值越大，表明容器抗失穩(wěn)能力越強。,,5,外壓圓筒的失穩(wěn)形態(tài),,穩(wěn)定性問題不僅僅限于外壓容器，內(nèi)壓容器有時也存在穩(wěn)定性問題。例如受重量載荷和風(fēng)彎矩作用產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力的直立內(nèi)壓設(shè)備、有局部壓應(yīng)力產(chǎn)生的內(nèi)壓封頭、以及內(nèi)壓臥式容器的鞍座

3、處等，均有穩(wěn)定性問題存在。,,6,外壓圓筒的分類,,,當(dāng)圓筒的長度與直徑之比較大時，其中間部分將不受兩端封頭或加強圈的支持作用，彈性失穩(wěn)時形成n＝2的波數(shù)。長圓筒的臨界壓力與 無關(guān)，僅與圓筒壁厚與直徑的比值 有關(guān),,長圓筒,短圓筒,失穩(wěn)時的波數(shù)n大于2 與 均有關(guān),7,外壓圓筒的分類,,,值較小， 值較大， 其破壞不是因喪失穩(wěn)定而引起，是因為強度不足而產(chǎn)生破壞。由于圓筒壁內(nèi)的壓應(yīng)

4、力超過材料屈服極限而喪失穩(wěn)定 與長度無關(guān),,剛性圓筒,薄壁外壓圓筒,失穩(wěn)時器壁應(yīng)力低于材料屈服極限 稱為彈性失穩(wěn),失穩(wěn)時器壁應(yīng)力高于材料屈服極限 稱為塑性失穩(wěn),8,圓筒的厚度計算,,,,,,,,,,,臨界長度,,,長圓筒,,短圓筒,,,,,,,,9,圓筒的理論厚度計算,,,,,,,,,,先假定,,,,長圓筒 短圓筒,,,,,,,,,,圓筒厚度滿足要求,重新假設(shè)圓筒厚度,10,圖算法原理,,,,,,,,,,,,,,K為表征長、

5、短圓筒的特征系數(shù)，與 、 有關(guān)長圓筒K=2.2 短圓筒按圖表查出.,,,,用理論公式計算臨界壓力比較復(fù)雜.為了避免在求解析解先判斷長、短圓筒并加以驗證，在計算時只能用近似公式進行計算。工程上為了計算簡便,采用圖算法.,,,臨界壓力用以引起圓筒器壁周向壓縮應(yīng)力,除以E,外壓圓筒的幾何參數(shù)計算圖,11,對任何材料都適用,,,,,,,,,,外壓圓筒的幾何參數(shù)計算圖,長圓筒與L/D無關(guān),短圓筒,12,圖算法原理,,

6、,,,,,,,,,,,,,,,,,變換,,,,,,,,13,圖算法原理,,,,,,,,,,,,,,,,,,利用材料單向拉伸應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系,外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖（,的碳素鋼和0Cr13、1Cr13鋼）,,,,A值落在材料溫度線左方,,A值落在材料溫度線右方,14,圖算法的計算步驟,,,,,15,有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定,,,,,,,,,,1、設(shè)計壓力P,2、試驗壓力PT,,,均布徑向外壓圓筒穩(wěn)定性安全系數(shù)取3.0,,3、穩(wěn)定性安全系

7、數(shù) m,真空容器按承受外壓考慮，當(dāng)裝有安全控制裝置（如真空泄放閥）時，設(shè)計壓力取1.25倍最大內(nèi)外壓力差或0.1MPa兩者中的較小值；當(dāng)無安全控制裝置時，取0.1MPa。,液壓試驗,,氣壓試驗,16,,,,,,,,,4、計算長度L,,,,外壓圓筒的計算長度系指圓筒外部或內(nèi)部兩相鄰剛性構(gòu)件之間的最大距離，通常封頭、法蘭、加強圈等均可視為剛性構(gòu)件.,,直邊段以及封頭曲面深度的1/3,取承受外壓的圓筒長度,取相鄰加強圈中心線間的最大距離,17

8、,加強圈的設(shè)計計算,,,可以通過增加圓筒的壁厚或減小圓筒的計算長度來提高圓筒的許用外壓力[P],,1、設(shè)置加強圈的作用與意義,減小計算長度比增加筒壁厚度更為合理,①可以節(jié)省材料，減少了設(shè)備重量，降低了造價；②當(dāng)現(xiàn)有設(shè)備因操作條件需要改變而不能滿足要求時，增加壁厚就不僅困難，甚至根本無法實現(xiàn)；③加強圈還可以減小大直徑薄壁圓筒形狀缺陷的影響，提高圓筒的剛度。,,18,加強圈的結(jié)構(gòu)要求,,加強圈通常用扁鋼、角鋼、工字鋼或其他型鋼制成，因一

9、方面型鋼截面慣性矩較大，另一方面成型也較方便。加強圈材料多數(shù)為碳鋼，它可以設(shè)置在容器的內(nèi)部或外部，并應(yīng)全部圍繞容器的圓周。加強圈自身在環(huán)向的連接要用對接焊。通常以間斷焊縫與筒體連接。為了保證加強圈與圓筒一起承受外壓的作用。當(dāng)加強圈焊在圓筒外面時，加強圈每側(cè)間斷焊接的總長，應(yīng)不小于容器外圓周長度的1/2 ；當(dāng)加強圈焊在圓筒內(nèi)面時，加強圈每側(cè)間斷焊接的總長，應(yīng)不小于容器內(nèi)圓周長度的1/3 ；加強圈兩側(cè)的間斷焊縫可以錯開或并排布置，但焊縫之間

10、的最大間隙l 對外加強圈為 ，對內(nèi)加強圈為,,,,,,19,加強圈的型式及連接結(jié)構(gòu),,,,,20,加強圈的計算,,,,1、一是在圓筒上應(yīng)設(shè)置多少個加強圈，即加 強圈間距Ls的確定,,,,,,,,,加強圈個數(shù),無加強圈時殼體總的計算長度,,加強圈的最大間距,,21,加強圈的計算,,,,當(dāng)加強圈個數(shù)為N時，其計算長度或加強圈間距,2、加強圈應(yīng)取多大的截面，即加強圈需要多大的截面慣性矩 才能保證圓筒和加強圈不致失穩(wěn),,,,,,,系

11、數(shù)A由加強圈材料的相應(yīng)材料曲線確定,22,加強圈的計算,,,,,,,,,,,由B求A查材料曲線時，若材料曲線圖中有交點，則直接由圖中查?。蝗舨牧锨€圖中無交點，則按,計算求得。,,,等效厚度,23,計算加強圈和圓筒有效段組合截面的綜合慣性矩,,,,,,,圓筒有效段截面的慣性矩,,,,圓筒起加強作用有效段的截面面積,,,組合截面的綜合慣性矩,,,24,加強圈的設(shè)計步驟,,,,,25,半球形封頭,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

12、,,,,假設(shè),，計算出,,,,,比較,Pc與[ p ],再假設(shè),重復(fù)上述計算步驟,26,橢圓形封頭,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,27,,,,,,,,,,,,,,,,,28,,,,,,,,,,,,,,,,29,,,,,,,,,,,,,,,,,30,,,,,,,,,,,,,,,,31,,,,,,,,,,,,,,,,故水壓試驗應(yīng)力校核合格,32,,,,,,,,,,,,,,,,33,,,,,,,,,,,,,,,,34,,,