外压容器壁厚计算ppt课件

第三章第三章 外压容器设计外压容器设计 第三章 外压容器设计 1目录目录外压容器的稳定性外压容器的稳定性1 1外压薄壁容器壁厚确定外压薄壁容器壁厚确定2 2外压薄壁圆筒的加强圈外压薄壁圆筒的加强圈3 3目录外压容器的稳定性1外压薄壁容器壁厚确定2外压薄壁圆筒的加2第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性一、外压容器的失效形式一、外压容器的失效形式 基本概念基本概念 外压容器：外压容器：容器外部压力大于内部压力容器外部压力大于内部压力。失效：失效：容器失去了正常的工作能力容器失去了正常的工作能力。外压容器的失效形式外压容器的失效形式 外外压压容容器器的的失失效效一一是是强强度度不不够够，二二是是稳稳定定性性不不足足。外压薄壁容器失稳是主要的失效形式。外压薄壁容器失稳是主要的失效形式。第一节 外压容器的稳定性一、外压容器的失效形式3二、外压容器的失稳过程及临界压力的概念二、外压容器的失稳过程及临界压力的概念 失稳的概念失稳的概念 容器强度足够却突然失去了原有的形状，筒壁被压容器强度足够却突然失去了原有的形状，筒壁被压瘪或发生褶绉，筒壁的圆环截面一瞬间变成了曲波形。瘪或发生褶绉，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。性失稳。容器发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作，造容器发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作，造成容器失效。成容器失效。二、外压容器的失稳过程及临界压力的概念4 容器失稳形式容器失稳形式 侧向失稳侧向失稳 由于均匀侧向外压引起失稳叫侧向失稳。由于均匀侧向外压引起失稳叫侧向失稳。容器失稳形式5 轴向失稳轴向失稳 薄壁圆筒承受轴向外压，当载荷薄壁圆筒承受轴向外压，当载荷达到某一数值时，也会丧失稳定性。达到某一数值时，也会丧失稳定性。失稳，仍具有圆环截面，但破坏失稳，仍具有圆环截面，但破坏了母线的直线性，母线产生了波形，了母线的直线性，母线产生了波形，即圆筒发生了褶绉。即圆筒发生了褶绉。局部失稳局部失稳 在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的局部外压也可能引起局部失稳。局部外压也可能引起局部失稳。轴向失稳6 临界压力的概念临界压力的概念 临界压力是导致容器失稳的最小外压力。临界压力是导致容器失稳的最小外压力。三、临界压力的计算三、临界压力的计算 影响临界压力的因素影响临界压力的因素 临界压力的大小与筒体几何尺寸、材质及结构因素临界压力的大小与筒体几何尺寸、材质及结构因素有关有关。外压圆筒形容器的分类：外压圆筒形容器的分类：按失稳情形式将外压圆筒分为三类：按失稳情形式将外压圆筒分为三类：长圆筒、短圆筒、刚性圆筒长圆筒、短圆筒、刚性圆筒 临界压力的概念7 临界压力的计算临界压力的计算 长圆筒长圆筒 短圆筒短圆筒 应用以上两式应满足两个条件：应用以上两式应满足两个条件：临界应力临界应力 圆筒的圆度应符合圆筒的圆度应符合GB150GB150的规定。的规定。临界压力的计算8 刚性圆筒刚性圆筒 四、外压圆筒类型的判定四、外压圆筒类型的判定 临界长度计算临界长度计算 临界长度临界长度 区分不同类型圆筒的特征长度。区分不同类型圆筒的特征长度。临界长度的计算临界长度的计算 区分长圆筒和短圆筒的临界长度区分长圆筒和短圆筒的临界长度L Lcrcr 刚性圆筒 9 区分短圆筒和刚性圆筒的临界长度区分短圆筒和刚性圆筒的临界长度L Lcrcr 计算长度确定计算长度确定 计算长度计算长度 计算长度是指圆筒上相邻两刚性构件（如封头、加计算长度是指圆筒上相邻两刚性构件（如封头、加强圈等）的距离。强圈等）的距离。对具有凸形封头无加强圈的圆筒其计算长度对具有凸形封头无加强圈的圆筒其计算长度L L=圆筒圆筒长度长度+两封头直边高度两封头直边高度+两封头曲面深度的两封头曲面深度的1/31/3。区分短圆筒和刚性圆筒的临界长度Lcr10 外压圆筒外压圆筒 计算长度计算长度 外压圆筒11 圆筒类型的判定圆筒类型的判定 当当L LL Lcrcr时，为长圆筒；时，为长圆筒；当当L LL Lcrcr时，刚性圆筒；时，刚性圆筒；当当L LcrcrL LL Lcrcr时，为短圆筒。时，为短圆筒。圆筒类型的判定12第二节第二节 外压薄壁容器壁厚确定外压薄壁容器壁厚确定 一、设计参数一、设计参数 设计外压力设计外压力 对真空容器当在容器上装有安全阀时，设计外压力对真空容器当在容器上装有安全阀时，设计外压力取取1.251.25倍的最大外、内压力差与倍的最大外、内压力差与0.1MPa0.1MPa二者中的小值；二者中的小值；当容器未装有安全阀时，设计外压力取当容器未装有安全阀时，设计外压力取0.1MPa0.1MPa。试验压力试验压力 外压容器依然以内压力进行压力试验，其试验压力为：外压容器依然以内压力进行压力试验，其试验压力为：液压试验液压试验 气压试验气压试验 第二节 外压薄壁容器壁厚确定 一、设计参数13二、外压薄壁容器不失稳的条件二、外压薄壁容器不失稳的条件 容器的稳定条件为：容器的稳定条件为：式中式中 计算外压力，计算外压力，MPaMPa p p许用外压力，许用外压力，MPa.MPa.二、外压薄壁容器不失稳的条件14三、圆筒壁厚确定的解析法三、圆筒壁厚确定的解析法 圆筒的厚度表达式圆筒的厚度表达式 长圆筒长圆筒 短圆筒短圆筒 壁厚确定的步骤壁厚确定的步骤 确定、确定、p pc c、t t、C C、E E、L L、等相关参数；、等相关参数；假设圆筒的名义厚度假设圆筒的名义厚度 ，得，得 ；三、圆筒壁厚确定的解析法15 计算临界长度计算临界长度 、并与并与 比较，确定圆筒的类比较，确定圆筒的类型；型；计算计算 、p p、比较：比较：若若 、且、且 ，则以上假设的，则以上假设的满足要求；若满足要求；若 ，则重新假设另一较大的，则重新假设另一较大的 ，重复以上各步、直至满足要求为止；若，重复以上各步、直至满足要求为止；若 、但、但 ，则改用图算法。，则改用图算法。校核压力试验时圆筒的强度校核压力试验时圆筒的强度。计算临界长度 、并与 比较，确定圆筒的16四、圆筒壁厚确定的图算法四、圆筒壁厚确定的图算法 图解法的依据图解法的依据 图图算算法法的的基基础础是是解解析析法法，将将解解析析法法的的相相关关公公式式经经过过分分析析整整理理，绘绘制制成成两两张张图图。一一张张图图反反映映圆圆筒筒受受外外压压力力后后，变变形形与与几几何何尺尺寸寸之之间间的的关关系系，称称为为几几何何参参数数计计算算图图，另另一一张张图图反反映映不不同同材材质质的的圆圆筒筒在在不不同同温温度度下下，所所受受外外压压力力与与变变形形之之间间关关系系的的图图，称称为为厚厚度度计计算算图图，此此图不同的材料有不同的图。图不同的材料有不同的图。图算法的步骤图算法的步骤 利用图算法设计不同类型的圆筒其过程也有所不同，利用图算法设计不同类型的圆筒其过程也有所不同，现以现以2020的圆筒为例说明的圆筒为例说明 四、圆筒壁厚确定的图算法17 确定、确定、p pc c、t t、C C、E E、L L、等相关参数；等相关参数；假设圆筒的名义厚度假设圆筒的名义厚度 ，得，得 计算计算 的值的值；在几何参数计算图上，由在几何参数计算图上，由L L/D Do o和和D Do/o/e e在横坐标上在横坐标上找到系数找到系数A A值，若值，若L L/D DO O大于大于5050、用、用L L/D DO=50O=50查图，若查图，若L L/D DO O小于小于0.050.05，用，用L L/D DO=0.05O=0.05查图查图；根据圆筒所用材料选厚度计算图，在此图上由第根据圆筒所用材料选厚度计算图，在此图上由第（4 4）步所得）步所得A A值和设计温度值和设计温度t t在纵坐标上找到系数在纵坐标上找到系数B B值，值，并按下式计算许用外压力并按下式计算许用外压力 p p,即即 确定、pc、t、C、E、L、等相关参数18 若若A A值落在设计温度下材料线的左方，则直接用下值落在设计温度下材料线的左方，则直接用下式计算许用外压力式计算许用外压力 p p,即即 比较比较 若若 p pp pc c,则以上假设的则以上假设的 满足要求满足要求,否则重新假否则重新假设另一较大的设另一较大的 ，重复以上各步、直至满足要求为，重复以上各步、直至满足要求为止。止。校核压力试验时圆筒的强度校核压力试验时圆筒的强度。若A值落在设计温度下材料线的左方，则直接用下式计19五、外压封头壁厚确定的图算法五、外压封头壁厚确定的图算法 受外压力的凸形封头（半球形、椭圆形、碟形），受外压力的凸形封头（半球形、椭圆形、碟形），利用图算法按如下步骤确定壁厚。利用图算法按如下步骤确定壁厚。假设封头的名义厚度假设封头的名义厚度 ，得，得 计算计算 的值的值 对半球形封头对半球形封头 ，R Ri i 为半球形内半径；为半球形内半径；对椭圆形对椭圆形R RO=O=K K1 1DoDo，K K1 1按表按表3-13-1查取；查取；对碟形封头对碟形封头R Ro o=球面部分内半径。球面部分内半径。五、外压封头壁厚确定的图算法20 计算临界应变计算临界应变A A值值 根据圆筒所用材料选厚度计算图，在此图上由第根据圆筒所用材料选厚度计算图，在此图上由第（3 3）步所得）步所得A A值和设计温度值和设计温度t t在纵坐标上找到系数在纵坐标上找到系数B B值，值，并按下式计算许用外压力并按下式计算许用外压力 p p,即即 若若A A值落在设计温度下材料线的左方，则直接用下值落在设计温度下材料线的左方，则直接用下式计算许用外压力式计算许用外压力 p p,即即 计算临界应变A值21 比较：比较：若若 p pp pc,c,则以上假设的满足要求则以上假设的满足要求,否则重新假设否则重新假设另一较大的，重复以上各步、直至满足要求为止。另一较大的，重复以上各步、直至满足要求为止。对于承受外压力的锥形壳体，当半顶角对于承受外压力的锥形壳体，当半顶角6060o o时，时，按平封头计算；当按平封头计算；当6060o o时，因锥壳与圆筒连接处存时，因锥壳与圆筒连接处存在变形不协调而产生的边缘应力，所以在连接处附近圆在变形不协调而产生的边缘应力，所以在连接处附近圆筒和锥壳都要有足够的刚度，保证其在外压力作用下不筒和锥壳都要有足够的刚度，保证其在外压力作用下不会失稳。具体计算方法可参见会失稳。具体计算方法可参见GB150GB150。比较：22第三节第三节 外压薄壁圆筒的加强圈外压薄壁圆筒的加强圈一、加强圈的作用、结构及要求一、加强圈的作用、结构及要求 加强圈的结构加强圈的结构 加强圈是焊接在圆筒外侧或内侧、且具有足够刚性加强圈是焊接在圆筒外侧或内侧、且具有足够刚性的圆环状构件的圆环状构件。其截面形状有矩形、。其截面形状有矩形、L L形、形、T T形、形、U U字形、字形、工字形等。常用型钢制作，如扁钢、角钢、槽钢、工字工字形等。常用型钢制作，如扁钢、角钢、槽钢、工字钢等。钢等。对加强圈的要求对加强圈的要求 加强圈本身应具有足够的刚度，在外压力作用下不加强圈本身应具有足够的刚度，在外压力作用下不会失稳，才能对圆筒起到加强作用。会失稳，才能对圆筒起到加强作用。第三节 外压薄壁圆筒的加强圈一、加强圈的作用、结构及要求23 加强圈的作用加强圈的作用 在壁厚一定时、设置加强圈可以减小计算长度，提在壁厚一定时、设置加强圈可以减小计算长度，提高临界压力，也就是提高了圆筒的承载能力；在承载要高临界压力，也就是提高了圆筒的承载能力；在承载要求一定时，设置加强圈减小了计算长度，进而可减小圆求一定时，设置加强圈减小了计算长度，进而可减小圆筒的壁厚、节省材料筒的壁厚、节省材料。二、加强圈的间距二、加强圈的间距 当当圆圆筒筒的的壁壁厚厚确确定定以以后后，加加强强圈圈之之间间的的最最大大间间距距可可按按下式计算：下式计算：加强圈的作用 24 在圆筒上设置多少加强圈合适，没有确切的定论。在圆筒上设置多少加强圈合适，没有确切的定论。加强圈多、间距小，节省筒体材料；但若加强圈太多，加强圈多、间距小，节省筒体材料；但若加强圈太多，则自身耗材也多、制造费用也高。最佳方案是圆筒材料则自身耗材也多、制造费用也高。最佳方案是圆筒材料和制造费用与加强圈材料和制造费用之和为最小，但工和制造费用与加强圈材料和制造费用之和为最小，但工程实际很难实现。根据经验一般认为每隔程实际很难实现。根据经验一般认为每隔1 12m2m设置一设置一个加强圈为宜。个加强圈为宜。三、加强圈的图算法三、加强圈的图算法 加强圈的稳定条件加强圈的稳定条件 加加强强圈圈组组合合截截面面实实际际具具有有的的惯惯性性矩矩IsIs保保持持加加强强圈圈不失稳所需要的组合截面惯性矩不失稳所需要的组合截面惯性矩I I。在圆筒上设置多少加强圈合适，没有确切的定论。加强25 保持加强圈稳定所需要的组合截面惯性矩保持加强圈稳定所需要的组合截面惯性矩I I 计算计算 根据加强圈所用材料，在所选的外压容器厚度计算根据加强圈所用材料，在所选的外压容器厚度计算图上，由以上所计算出的图上，由以上所计算出的B B值和设计温度在横坐标上找值和设计温度在横坐标上找到系数到系数A A值；若图中无交点无法得到值；若图中无交点无法得到A A值，则可直接用下值，则可直接用下式计算：式计算：计算计算 保持加强圈稳定所需要的组合截面惯性矩I26 组合截面实际具有的截面惯性矩组合截面实际具有的截面惯性矩I Is s 对如图示加强圈的截面尺寸，则组合截面实际具有对如图示加强圈的截面尺寸，则组合截面实际具有的截面惯性矩按下式计算。的截面惯性矩按下式计算。组合截面实际具有的截面惯性矩Is27