第四章 外壓圓筒和封頭的設(shè)計(jì)

1、第四章 外壓圓筒與封頭的設(shè)計(jì)（Design of External Pressure Cylinder and Head）,1. 外壓圓筒的工程設(shè)計(jì)1.1 基本概念外壓容器（External Pressure Container）：凡是外部壓力大于內(nèi)部壓力的容器均稱(chēng)為外壓容器。如減壓蒸餾塔、真空冷凝器、帶夾套的反應(yīng)釜等。外壓容器的失穩(wěn)（Instability of External Pressure Container

2、 ）：殼體在外壓作用下承受壓應(yīng)力，但往往是殼壁的壓應(yīng)力還遠(yuǎn)小于筒體材料的屈服極限時(shí)，筒體就失去原來(lái)的幾何形狀被壓癟或褶皺，這種在外壓作用下殼體突然被壓癟的現(xiàn)象稱(chēng)為失穩(wěn)。失穩(wěn)是外壓容器失效的主要形式。容器失穩(wěn)型式的分類(lèi)：容器的失穩(wěn)形式可分為側(cè)向、軸向及局部失穩(wěn)等幾種。,臨界壓力（Critical External Pressure）：導(dǎo)致容器失穩(wěn)的壓力稱(chēng)為該筒體的臨界壓力，用 表示。相對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)力稱(chēng)為臨界壓應(yīng)力 。

3、筒體臨界壓力的大小與筒體的幾何尺寸、筒體材料性能和筒體橢圓度等有關(guān)。,n=2,n=3,n=5,n=4,長(zhǎng)圓筒（Long Cylinder）、短圓筒（Short Cylinder）和剛性圓筒（Rigid Cylinder）：按照破壞情況，受外壓的圓筒形殼體可分為長(zhǎng)圓筒、短圓筒和剛性圓筒。長(zhǎng)圓筒：筒體的L/D0值較大，筒體兩端邊界約束可以忽略，臨界壓力僅與Se/D0有關(guān)，而與L/D0無(wú)關(guān)。長(zhǎng)圓筒失穩(wěn)時(shí)的波形數(shù)n=2。短圓筒：筒體

4、兩端邊界對(duì)筒體有明顯的支撐作用，邊界約束不可以忽略，臨界壓力不僅與Se/D0有關(guān)，而且與L/D0有關(guān)。圓筒失穩(wěn)時(shí)的波形數(shù)n>2。剛性圓筒：筒體的L/D0值較小，Se/D0較大，剛性好，筒體的失效形式為壓縮強(qiáng)度破壞。,1.2 薄壁筒體的臨界壓力計(jì)算公式（Critical Pressure Formula of Thin-Walled Cylinder）鋼制長(zhǎng)圓筒：長(zhǎng)圓筒的臨界壓力可由圓環(huán)的臨界壓力公式推得,式中

5、 ：材料的泊桑比； ： 設(shè)計(jì)溫度下材料的彈性模數(shù)，MPa,對(duì)于鋼制容器， 則上式可以寫(xiě)成,相應(yīng)的臨界應(yīng)力為：,（4-1）,1.3 外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算（External Pressure Vessel Design）外壓圓筒的臨界壓力公式是按一定的理想狀態(tài)下推導(dǎo)出來(lái)的。實(shí)際筒體往往存在幾何形狀不規(guī)則、材料不均勻、載荷不均勻等，因此確定許用工作外壓時(shí)，必須考慮穩(wěn)定安全系數(shù)

6、m，即,對(duì)圓筒、錐殼取m=3，球殼、橢圓形和碟形封頭取m=15。,（4-5）,由于外壓圓筒壁厚的理論計(jì)算方法非常復(fù)雜，《鋼制壓力容器》GB150-1998推薦采用圖算法。,一、算圖的由來(lái)（Origin of Rendering）,將長(zhǎng)、短圓筒的臨界壓力計(jì)算公式歸納成：,筒體的臨界應(yīng)力,臨界應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的周向應(yīng)變 ，外壓設(shè)計(jì)時(shí)用A表示，為：,將以上關(guān)系繪成曲線，即為外壓圓筒幾何參數(shù)計(jì)算圖，該圖適用與任何材料的圓筒。,（4-6）,二、

7、圖算法的設(shè)計(jì)步驟,對(duì)D0/Se≥20的圓筒和管子：,（1）假設(shè)Sn，求Se=Sn-C、L/D0和D0/Se；（2）在幾何參數(shù)計(jì)算圖的左方找到L/D0值、過(guò)此點(diǎn)沿水平方向向右移與D0/Se線相交。若L/D0大于50，則用L/D0 =50查圖；若L/D0小于0.05 ，則用L/D0 =0.05查圖；（3）過(guò)此交點(diǎn)沿垂直方向下移，在圖的下方得到系數(shù)A；,圓筒幾何參數(shù)計(jì)算圖(適用于所有材料),,,（4）按所用材料選用相應(yīng)的圖表，在圖的下方找

8、到A。若A落在設(shè)計(jì)溫度下材料線的右方，則過(guò)此點(diǎn)垂直上移，與設(shè)計(jì)溫度下的材料線相交，再過(guò)此點(diǎn)水平方向右移，在圖的右方得到系數(shù)B，并按下式計(jì)算許用外壓力 ：,若A值落在設(shè)計(jì)溫度下材料線的左方，則按下式計(jì)算許用外壓力 ：,（5）比較計(jì)算壓力 與 ，若 ，則需重設(shè)Sn ，重復(fù)上述計(jì)算步驟，直到 大于且接近 為止。,（4-8）,,,三、 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定（Design

9、Parameters）,1）設(shè)計(jì)壓力（Design Pressure）,2）計(jì)算長(zhǎng)度L（Length） 筒體計(jì)算長(zhǎng)度是指兩個(gè)剛性構(gòu)件之間的距離。封頭、法蘭、加強(qiáng)圈均可視為剛性構(gòu)件。對(duì)于凸形封頭，應(yīng)計(jì)入直邊高度和封頭曲面深度的1/3。,3）試驗(yàn)壓力（Test Pressure）外壓容器和真空容器按內(nèi)壓容器進(jìn)行壓力試驗(yàn)：,試驗(yàn)壓力液壓試驗(yàn),氣壓試驗(yàn),壓力試驗(yàn)的應(yīng)力校核在進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí)，容器的薄膜應(yīng)力按下式計(jì)算：,（4-1

10、2）,（4-13）,（4-14）,應(yīng)滿(mǎn)足下列條件：液壓試驗(yàn) 氣壓試驗(yàn),2 外壓球殼與凸形封頭的設(shè)計(jì)（Design of External Pressure Shell and Convex Head）外壓容器常用的封頭為凸形封頭，包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭、球冠封頭四種。2.1 外壓球殼和球形封頭

11、的設(shè)計(jì)（Design of External Pressure Spherical Shell and Head）受外壓的球殼和球形封頭的壁厚按下列步驟確定：（1）假設(shè)Sn，求Se=Sn-C、定出R0/Se值；（2）用下式計(jì)算系數(shù)A；,（4-15）,,,二、橢圓形封頭（Elliptical Head）按外壓球殼圖算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中橢圓形封頭的當(dāng)量球殼外半徑R0按下式確定：,D0為橢圓形封頭的外徑，K1為由橢圓封頭長(zhǎng)短軸之比確定的