壓力容器常規(guī)設(shè)計-外壓封頭的設(shè)計

1、壓力容器常規(guī)設(shè)計外壓封頭的設(shè)計,,目錄,一、壓力容器總體結(jié)構(gòu)二、壓力容器外壓分析的必要性三、失穩(wěn)失效的設(shè)計準(zhǔn)則四、壓力容器的受力分析五、封頭的設(shè)計1.封頭的分類2.封頭受內(nèi)壓的計算公式、外壓的公式及計算過程,一、壓力容器總體結(jié)構(gòu),,一、壓力容器總體結(jié)構(gòu),,,圖1 壓力容器總體結(jié)構(gòu),1-法蘭；2-支座；3-封頭拼接焊縫；4-封頭；5環(huán)焊縫；6-補強圈；7-人孔；8-縱焊縫；9-筒體；10-壓力表；11-安全閥；12-液面

2、表,一、壓力容器總體結(jié)構(gòu),封頭,二、壓力容器進行外壓分析的必要性,1、壓力容器 內(nèi)壓：產(chǎn)生應(yīng)力和變形 顯著變形 斷裂 外壓：設(shè)備中常遇見承受外壓的殼體殼體外表面受到的壓力高于大氣壓，且大于內(nèi)表面受到的壓力。如，深海操作設(shè)備、用于加熱或冷卻的夾套容器的內(nèi)層殼體。殼體外表面承受大氣壓力，而內(nèi)部真空。如，真空操作的儲槽殼體。,二、壓力容器進行外壓分析的必要性,2、失穩(wěn) 失穩(wěn)的現(xiàn)象

3、 失穩(wěn)就是穩(wěn)定性失效,也就是受力構(gòu)件喪失保持穩(wěn)定平衡的能力。 外壓失穩(wěn)：容器外部壓力大于內(nèi)部壓力。力。 壓力容器殼體在承受均布外壓作用時，殼壁中產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，其大小與受相等內(nèi)壓時的拉伸應(yīng)力相同。當(dāng)外壓載荷增大到某一值時，殼體會突然失去原來的形狀，被壓扁或出現(xiàn)波紋，載荷卸去后，不能回復(fù)原狀，這種現(xiàn)象稱為外壓殼體的失穩(wěn)。,二、壓力容器進行外壓分析的必要性,失穩(wěn)的現(xiàn)象,圖2 圓筒失穩(wěn)時出現(xiàn)的波紋,圖3 圓筒形殼體失穩(wěn)后的形

4、狀,二、壓力容器進行外壓分析的必要性,臨界壓力 殼體失穩(wěn)時所承受的相應(yīng)壓力，稱為臨界壓力，以Pcr表示，此時殼體中應(yīng)力稱為臨界應(yīng)力，以 表示。 1.外壓低于Pcr，變形在壓力卸除后能恢復(fù)其原先形狀，即發(fā)生彈性變形。 2.達到或高于Pcr時，產(chǎn)生的曲波形將是不可能恢復(fù)的。 三、失穩(wěn)失效的設(shè)計準(zhǔn)則壓力容器的設(shè)計中，應(yīng)防止失穩(wěn)發(fā)生。如：僅受均布外壓的圓筒，外壓應(yīng)小于周向臨界壓力；由彎矩或彎矩和壓力共同引起的軸向壓縮，壓

5、應(yīng)力應(yīng)小于軸向臨界應(yīng)力。,四、壓力容器的受力分析,1、薄壁圓筒的應(yīng)力分析 薄壁圓筒在均勻內(nèi)壓P的作用下，圓筒上任意一點B將產(chǎn)生兩個方向上的應(yīng)力： 一是由內(nèi)壓作用在封頭上而產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力，稱為“軸向應(yīng)力”， ； 二是由內(nèi)壓作用使圓筒均勻向外膨脹，在圓筒的切線方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，稱為“周向應(yīng)力”， 。 另外，器壁中沿壁厚方向還存在著徑向應(yīng)

6、力 ，但是它相對于前兩種應(yīng)力要小得多，所以在薄壁圓筒中不予以考慮。,四、壓力容器的受力分析,圖4 薄壁圓筒內(nèi)壓作用下的應(yīng)力,t,其中：t---圓筒厚度Di---圓筒內(nèi)徑D---圓筒中面直徑Do---圓筒外徑,四、壓力容器的受力分析,對a圖：軸向外力=軸向內(nèi)力 得：對b 圖： 得：,圖5 薄壁圓筒在壓

7、力下的力平衡,四、壓力容器的受力分析,已知 和 其中：t---圓筒厚度 D---圓筒中面直徑 由第一強度理論得： 用 帶入上式得,,四、壓力容器的受力分析,將D和K帶入到 可以求得t,其中：t---計算厚度

8、Pc---計算壓力Di---圓筒內(nèi)直徑 ---焊接接頭系數(shù),五、封頭設(shè)計,封頭分類,五、封頭設(shè)計,1.封頭的分類半球形封頭：半個或接近半個球形的殼體橢圓型封頭：由半個橢球型殼體和一圓筒體直邊組成碟形封頭：較大半徑Ri的球冠、較小半徑r的環(huán)殼、一段筒體直邊組成球冠形封頭：是一部分球殼（球冠）,五、封頭設(shè)計,圖6 壓力容器凸形封頭的形式,,（e）無折邊錐形封頭 （f）折邊錐形封頭（g）平板封頭,五、封頭設(shè)計,2.封頭受內(nèi)壓

9、的計算公式、外壓的公式及計算過程 （1）凸形封頭半球形封頭 內(nèi)壓 在均勻內(nèi)壓作用下，薄壁球形容器的薄膜應(yīng)力為相同直徑圓筒的一半 ,是理想的結(jié)構(gòu)形式。但是深度大，沖壓困難。常用于高壓容器上。,使用范圍： 相當(dāng)于K小于等于1.33,式5-1,五、封頭設(shè)計,外壓 半球形封頭失穩(wěn)的臨界壓力為 引入穩(wěn)定性安全系數(shù)m=14.52, 得球殼的許

10、用外壓力 令 ，根據(jù) 得：,式5-2,式5-3,式5-4,五、封頭設(shè)計,外壓 將[P]代入公式5-3中有 由B和[P]的關(guān)系，得到半球形封頭的許用外壓力,式5-6,式5-5,,,圖7,五、封頭設(shè)計,工程上：圖算法圖算法步驟： 1.先假設(shè) ,而 ，按式5-5計算A，然

11、后根據(jù)所選的材料選用圖4-12至圖4-15，由A查得B。再用式5-6計算許用外壓力。 2.若A值落在材料溫度線的左方，則直接用式5-3計算[P]， 最后比較壓力Pc與[P]，如果 ,則需要重新假設(shè) 重復(fù)上面的步驟 ，直到[P]大于且接近Pc為止。,五、封頭設(shè)計,橢圓型封頭 內(nèi)壓 1.封頭中的應(yīng)力=薄膜應(yīng)力+封頭和圓筒連接處的不連續(xù)應(yīng)力 2.在一定條件下，橢圓形封頭中的最大應(yīng)力和圓筒軸向薄膜應(yīng)力的比

12、值與橢圓形封頭長軸與短軸比a/b有關(guān)系。,,圖8,封頭中最大應(yīng)力的位置和大小均隨a/b的變化而改變,五、封頭設(shè)計,橢圓型封頭 內(nèi)壓 3.應(yīng)力增強系數(shù)或形狀系數(shù) 4.k=封頭上最大總應(yīng)力/圓筒上周向薄膜應(yīng)力 即K=封頭上最大總應(yīng)力/球殼上薄膜應(yīng)力 5.對于a/b=1.0~2.6時，最大總應(yīng)力為半徑等于橢圓形封頭直徑的半球形封頭薄膜應(yīng)力的K倍。,五、封頭設(shè)計,橢圓型封頭 內(nèi)壓 6.封頭厚度

13、 7.當(dāng) 時，為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭， 此時K=1，封頭厚度計算式為： 8.橢圓形封頭最大允許工作壓力,五、封頭設(shè)計,橢圓型封頭 外壓 相同：外壓穩(wěn)定性計算公式和圖算法步驟同外壓的半球形封頭一樣。 不相同：Ro由橢圓形封頭的當(dāng)量球殼外半徑 代替，K1是長短軸的比值 決定的系數(shù)，由下表可查得。,,五、封頭設(shè)計,碟形封頭 內(nèi)壓 1.將過渡環(huán)的最大總應(yīng)力和中心球面部分最

14、大總應(yīng)力之比用r/Ri的關(guān)系表示，可以得到球面部分最大總應(yīng)力的近似修正系數(shù),M,圖9,五、封頭設(shè)計,碟形封頭 內(nèi)壓 2.碟形封頭過渡區(qū)總應(yīng)力為球面部分應(yīng)力的M倍 3.封頭厚度計算式為 外壓 受外壓的碟形封頭，在均勻外壓作用下，碟形封頭的過渡區(qū)承受拉應(yīng)力，而球面部分是壓應(yīng)力，有發(fā)生失穩(wěn)的潛在危險，為防止封頭失穩(wěn)的厚度計算仍可用半球形封頭外壓計算公式和圖算法步驟，只是其中Ri用球面部分外半徑代替。,五、封頭設(shè)計,

15、錐型封頭,圖10 錐殼結(jié)構(gòu)模式,五、封頭設(shè)計,錐型封頭 外壓 錐殼的臨界壓力可以表示為 其中 等效圓柱體的臨界壓力 由均布側(cè)向外壓圓筒的臨界壓力計算公式 幾何關(guān)系,圖11 外壓圓錐殼體,五、封頭設(shè)計,錐型封頭 外壓得到錐殼的臨界壓力：,其中 等效圓筒長度D1錐殼小端外直徑D2錐殼大端外直徑 等效圓筒壁厚,計算步驟同圓筒外壓圖算法一樣。以上方法只適