外壓容器穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì)

1、1,,外壓容器穩(wěn)定性分析與設(shè)計(jì),2007年7月,武漢工程大學(xué)化工設(shè)備設(shè)計(jì)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(jì)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(qiáng)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(dá)到某極限值時(shí)，橫斷面會(huì)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(jì),強(qiáng)度計(jì)算和穩(wěn)定性校核兩方面外壓容器強(qiáng)度計(jì)算的公式與內(nèi)壓容器相同，只是應(yīng)力的符號(hào)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(shí)的最低外壓力，稱(chēng)為臨界壓力。 其值越大，表明容器抗失穩(wěn)能力越強(qiáng)。,,5,外壓圓筒的失穩(wěn)形態(tài),,穩(wěn)定性問(wèn)題不僅僅限于外壓容器，內(nèi)壓容器有時(shí)也存在穩(wěn)定性問(wèn)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(wèn)題存在。,,6,外壓圓筒的分類(lèi),,,當(dāng)圓筒的長(zhǎng)度與直徑之比較大時(shí)，其中間部分將不受兩端封頭或加強(qiáng)圈的支持作用，彈性失穩(wěn)時(shí)形成n＝2的波數(shù)。長(zhǎng)圓筒的臨界壓力與 無(wú)關(guān)，僅與圓筒壁厚與直徑的比值 有關(guān),,長(zhǎng)圓筒,短圓筒,失穩(wěn)時(shí)的波數(shù)n大于2 與 均有關(guān),7,外壓圓筒的分類(lèi),,,值較小， 值較大， 其破壞不是因喪失穩(wěn)定而引起，是因?yàn)閺?qiáng)度不足而產(chǎn)生破壞。由于圓筒壁內(nèi)的壓應(yīng)

4、力超過(guò)材料屈服極限而喪失穩(wěn)定 與長(zhǎng)度無(wú)關(guān),,剛性圓筒,薄壁外壓圓筒,失穩(wěn)時(shí)器壁應(yīng)力低于材料屈服極限 稱(chēng)為彈性失穩(wěn),失穩(wěn)時(shí)器壁應(yīng)力高于材料屈服極限 稱(chēng)為塑性失穩(wěn),8,圓筒的厚度計(jì)算,,,,,,,,,,,臨界長(zhǎng)度,,,長(zhǎng)圓筒,,短圓筒,,,,,,,,9,圓筒的理論厚度計(jì)算,,,,,,,,,,先假定,,,,長(zhǎng)圓筒 短圓筒,,,,,,,,,,圓筒厚度滿(mǎn)足要求,重新假設(shè)圓筒厚度,10,圖算法原理,,,,,,,,,,,,,,K為表征長(zhǎng)、

5、短圓筒的特征系數(shù)，與 、 有關(guān)長(zhǎng)圓筒K=2.2 短圓筒按圖表查出.,,,,用理論公式計(jì)算臨界壓力比較復(fù)雜.為了避免在求解析解先判斷長(zhǎng)、短圓筒并加以驗(yàn)證，在計(jì)算時(shí)只能用近似公式進(jìn)行計(jì)算。工程上為了計(jì)算簡(jiǎn)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(jì)算圖,11,對(duì)任何材料都適用,,,,,,,,,,外壓圓筒的幾何參數(shù)計(jì)算圖,長(zhǎng)圓筒與L/D無(wú)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(jì)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(jì)算步驟,,,,,15,有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)定,,,,,,,,,,1、設(shè)計(jì)壓力P,2、試驗(yàn)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(shí)，設(shè)計(jì)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(wú)安全控制裝置時(shí)，取0.1MPa。,液壓試驗(yàn),,氣壓試驗(yàn),16,,,,,,,,,4、計(jì)算長(zhǎng)度L,,,,外壓圓筒的計(jì)算長(zhǎng)度系指圓筒外部或內(nèi)部?jī)上噜弰傂詷?gòu)件之間的最大距離，通常封頭、法蘭、加強(qiáng)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(zhǎng)度,取相鄰加強(qiáng)圈中心線間的最大距離,17

8、,加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算,,,可以通過(guò)增加圓筒的壁厚或減小圓筒的計(jì)算長(zhǎng)度來(lái)提高圓筒的許用外壓力[P],,1、設(shè)置加強(qiáng)圈的作用與意義,減小計(jì)算長(zhǎng)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(jià)；②當(dāng)現(xiàn)有設(shè)備因操作條件需要改變而不能滿(mǎn)足要求時(shí)，增加壁厚就不僅困難，甚至根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)；③加強(qiáng)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(qiáng)圈的結(jié)構(gòu)要求,,加強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)圈自身在環(huán)向的連接要用對(duì)接焊。通常以間斷焊縫與筒體連接。為了保證加強(qiáng)圈與圓筒一起承受外壓的作用。當(dāng)加強(qiáng)圈焊在圓筒外面時(shí)，加強(qiáng)圈每側(cè)間斷焊接的總長(zhǎng)，應(yīng)不小于容器外圓周長(zhǎng)度的1/2 ；當(dāng)加強(qiáng)圈焊在圓筒內(nèi)面時(shí)，加強(qiáng)圈每側(cè)間斷焊接的總長(zhǎng)，應(yīng)不小于容器內(nèi)圓周長(zhǎng)度的1/3 ；加強(qiáng)圈兩側(cè)的間斷焊縫可以錯(cuò)開(kāi)或并排布置，但焊縫之間

10、的最大間隙l 對(duì)外加強(qiáng)圈為 ，對(duì)內(nèi)加強(qiáng)圈為,,,,,,19,加強(qiáng)圈的型式及連接結(jié)構(gòu),,,,,20,加強(qiáng)圈的計(jì)算,,,,1、一是在圓筒上應(yīng)設(shè)置多少個(gè)加強(qiáng)圈，即加 強(qiáng)圈間距Ls的確定,,,,,,,,,加強(qiáng)圈個(gè)數(shù),無(wú)加強(qiáng)圈時(shí)殼體總的計(jì)算長(zhǎng)度,,加強(qiáng)圈的最大間距,,21,加強(qiáng)圈的計(jì)算,,,,當(dāng)加強(qiáng)圈個(gè)數(shù)為N時(shí)，其計(jì)算長(zhǎng)度或加強(qiáng)圈間距,2、加強(qiáng)圈應(yīng)取多大的截面，即加強(qiáng)圈需要多大的截面慣性矩 才能保證圓筒和加強(qiáng)圈不致失穩(wěn),,,,,,,系

11、數(shù)A由加強(qiáng)圈材料的相應(yīng)材料曲線確定,22,加強(qiáng)圈的計(jì)算,,,,,,,,,,,由B求A查材料曲線時(shí)，若材料曲線圖中有交點(diǎn)，則直接由圖中查取；若材料曲線圖中無(wú)交點(diǎn)，則按,計(jì)算求得。,,,等效厚度,23,計(jì)算加強(qiáng)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(qiáng)作用有效段的截面面積,,,組合截面的綜合慣性矩,,,24,加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)步驟,,,,,25,半球形封頭,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

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