項(xiàng)目二四化工設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算

1、1 12 23 3第一節(jié)第一節(jié) 外壓容器的穩(wěn)定性外壓容器的穩(wěn)定性一、外壓容器的失效形式一、外壓容器的失效形式 基本概念基本概念 外壓容器：外壓容器：容器外部壓力大于內(nèi)部壓力容器外部壓力大于內(nèi)部壓力。 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。 外壓容器的失效形式外壓容器的失效形式 外壓容器的失效一是外壓容器的失效一是強(qiáng)度不夠強(qiáng)度不夠，二是，二是穩(wěn)定性不足穩(wěn)定性不足。 外壓薄壁容器失穩(wěn)是主要的失效形式。外壓薄壁容器失穩(wěn)是主要的失效形式。 二、外壓容器的失穩(wěn)過程及臨界壓力的概念二、外壓容器的失穩(wěn)過程及臨界壓力的概念 失穩(wěn)的概念失穩(wěn)的概念 容器強(qiáng)度足夠卻突然失去了原有的形狀，筒壁

2、被壓癟容器強(qiáng)度足夠卻突然失去了原有的形狀，筒壁被壓癟或發(fā)生褶縐，筒壁的圓環(huán)截面一瞬間變成了曲波形。這或發(fā)生褶縐，筒壁的圓環(huán)截面一瞬間變成了曲波形。這種在外壓作用下，筒體突然失去原有形狀的現(xiàn)象稱彈性種在外壓作用下，筒體突然失去原有形狀的現(xiàn)象稱彈性失穩(wěn)。失穩(wěn)。 容器發(fā)生彈性失穩(wěn)將使容器不能維持正常操作，造容器發(fā)生彈性失穩(wěn)將使容器不能維持正常操作，造成容器失效。成容器失效。 容器失穩(wěn)形式容器失穩(wěn)形式 側(cè)向失穩(wěn)側(cè)向失穩(wěn) 由于均勻側(cè)向外壓引起失穩(wěn)叫側(cè)向失穩(wěn)。由于均勻側(cè)向外壓引起失穩(wěn)叫側(cè)向失穩(wěn)。 軸向失穩(wěn)軸向失穩(wěn) 薄壁圓筒承受軸向外壓，當(dāng)載荷薄壁圓筒承受軸向外壓，當(dāng)載荷達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，也會(huì)喪失穩(wěn)定性。達(dá)到

3、某一數(shù)值時(shí)，也會(huì)喪失穩(wěn)定性。 失穩(wěn)，仍具有圓環(huán)截面，但破壞失穩(wěn)，仍具有圓環(huán)截面，但破壞了母線的直線性，母線產(chǎn)生了波形，了母線的直線性，母線產(chǎn)生了波形，即圓筒發(fā)生了褶縐。即圓筒發(fā)生了褶縐。 局部失穩(wěn)局部失穩(wěn) 在支座或其他支承處以及在安裝運(yùn)輸中由于過大的局在支座或其他支承處以及在安裝運(yùn)輸中由于過大的局部外壓也可能引起局部失穩(wěn)。部外壓也可能引起局部失穩(wěn)。 臨界壓力的概念臨界壓力的概念 臨界壓力是導(dǎo)致容器失穩(wěn)的最小外壓力。臨界壓力是導(dǎo)致容器失穩(wěn)的最小外壓力。三、臨界壓力的計(jì)算三、臨界壓力的計(jì)算 影響臨界壓力的因素影響臨界壓力的因素 臨界壓力的大小與筒體幾何尺寸、材質(zhì)及結(jié)構(gòu)因素有臨界壓力的大小與筒體幾何

4、尺寸、材質(zhì)及結(jié)構(gòu)因素有關(guān)關(guān)。 外壓圓筒形容器的分類：外壓圓筒形容器的分類： 按失穩(wěn)情形式將外壓圓筒分為三類：按失穩(wěn)情形式將外壓圓筒分為三類： 長圓筒、短圓筒、剛性圓筒長圓筒、短圓筒、剛性圓筒 臨界壓力的計(jì)算臨界壓力的計(jì)算 長圓筒長圓筒 短圓筒短圓筒 應(yīng)用以上兩式應(yīng)滿足兩個(gè)條件：應(yīng)用以上兩式應(yīng)滿足兩個(gè)條件： 臨界應(yīng)力臨界應(yīng)力 圓筒的圓度應(yīng)符合圓筒的圓度應(yīng)符合GB150GB150的規(guī)定。的規(guī)定。3)(2 . 2oecrDEpooecrDLDEp/)/(59. 25 . 2tSeocrcrDp2 剛性圓筒剛性圓筒 四、外壓圓筒類型的判定四、外壓圓筒類型的判定 臨界長度計(jì)算臨界長度計(jì)算 臨界長度臨界長

5、度 區(qū)分不同類型圓筒的特征長度。區(qū)分不同類型圓筒的特征長度。 臨界長度的計(jì)算臨界長度的計(jì)算 區(qū)分長圓筒和短圓筒的臨界長度區(qū)分長圓筒和短圓筒的臨界長度L Lcrcr otseDp2maxeoocrDDL17. 1 區(qū)分短圓筒和剛性圓筒的臨界長度區(qū)分短圓筒和剛性圓筒的臨界長度L Lcrcr 計(jì)算長度確定計(jì)算長度確定 計(jì)算長度計(jì)算長度 計(jì)算長度是指圓筒上相鄰兩剛性構(gòu)件（如封頭、加強(qiáng)計(jì)算長度是指圓筒上相鄰兩剛性構(gòu)件（如封頭、加強(qiáng)圈等）的距離。圈等）的距離。 對(duì)具有凸形封頭無加強(qiáng)圈的圓筒其計(jì)算長度對(duì)具有凸形封頭無加強(qiáng)圈的圓筒其計(jì)算長度L L= =圓筒長圓筒長度度+ +兩封頭直邊高度兩封頭直邊高度+ +兩

6、封頭曲面深度的兩封頭曲面深度的1/31/3 。 eotsecrDEL3 . 1 外壓圓筒外壓圓筒 計(jì)算長度計(jì)算長度 圓筒類型的判定圓筒類型的判定 當(dāng)當(dāng)L LL Lcrcr時(shí)，為長圓筒；時(shí)，為長圓筒； 當(dāng)當(dāng)L LL Lcrcr時(shí)，剛性圓筒；時(shí)，剛性圓筒； 當(dāng)當(dāng)L LcrcrL LL Lcrcr時(shí)，為短圓筒。時(shí)，為短圓筒。 第二節(jié)第二節(jié) 外壓薄壁容器壁厚確定外壓薄壁容器壁厚確定 一、設(shè)計(jì)參數(shù)一、設(shè)計(jì)參數(shù) 設(shè)計(jì)外壓力設(shè)計(jì)外壓力 對(duì)真空容器當(dāng)在容器上裝有安全閥時(shí)，設(shè)計(jì)外壓力取對(duì)真空容器當(dāng)在容器上裝有安全閥時(shí)，設(shè)計(jì)外壓力取1.251.25倍的最大外、內(nèi)壓力差與倍的最大外、內(nèi)壓力差與0.1MPa0.1MP

7、a二者中的小值；當(dāng)二者中的小值；當(dāng)容器未裝有安全閥時(shí)，設(shè)計(jì)外壓力取容器未裝有安全閥時(shí)，設(shè)計(jì)外壓力取0.1MPa0.1MPa。 試驗(yàn)壓力試驗(yàn)壓力 外壓容器依然以內(nèi)壓力進(jìn)行壓力試驗(yàn)，其試驗(yàn)壓力為：外壓容器依然以內(nèi)壓力進(jìn)行壓力試驗(yàn)，其試驗(yàn)壓力為： 液壓試驗(yàn)液壓試驗(yàn) 氣壓試驗(yàn)氣壓試驗(yàn) ppT25. 1ppT15. 1二、外壓薄壁容器不失穩(wěn)的條件二、外壓薄壁容器不失穩(wěn)的條件 容器的穩(wěn)定條件為：容器的穩(wěn)定條件為： 式中式中 計(jì)算外壓力，計(jì)算外壓力，MPaMPa p p 許用外壓力，許用外壓力，MPaMPa. . ppcmppcrcp三、圓筒壁厚確定的解析法三、圓筒壁厚確定的解析法 圓筒的厚度表達(dá)式圓筒的厚

8、度表達(dá)式 長圓筒長圓筒 短圓筒短圓筒 壁厚確定的步驟壁厚確定的步驟 確定、確定、p pc c、t t、C C、E E、L L、等相關(guān)參數(shù)；、等相關(guān)參數(shù)； 假設(shè)圓筒的名義厚度假設(shè)圓筒的名義厚度 ，得，得 ； EpDcoe2 . 234 . 059. 23ocoeEDLpDnCne 計(jì)算臨界長度計(jì)算臨界長度 、 并與并與 比較，確定圓筒的類型；比較，確定圓筒的類型； 計(jì)算計(jì)算 、 p p 、 比較：比較： 若若 、且、且 ，則以上假設(shè)的滿足要求；若，則以上假設(shè)的滿足要求；若 ，則重新假設(shè)另一較大的，則重新假設(shè)另一較大的 ，重復(fù)以上各步、直至，重復(fù)以上各步、直至滿足要求為止；若滿足要求為止；若 、但

9、、但 ，則改用圖算法。，則改用圖算法。 校核壓力試驗(yàn)時(shí)圓筒的強(qiáng)度校核壓力試驗(yàn)時(shí)圓筒的強(qiáng)度。 crLcrLLcrpcrcpp tscrpcpncpp crts四、圓筒壁厚確定的圖算法四、圓筒壁厚確定的圖算法 圖解法的依據(jù)圖解法的依據(jù) 圖算法的基礎(chǔ)是解析法，將解析法的相關(guān)公式經(jīng)過分析整理，繪圖算法的基礎(chǔ)是解析法，將解析法的相關(guān)公式經(jīng)過分析整理，繪制成兩張圖。一張圖反映圓筒受外壓力后，變形與幾何尺寸之間的制成兩張圖。一張圖反映圓筒受外壓力后，變形與幾何尺寸之間的關(guān)系，稱為幾何參數(shù)計(jì)算圖，另一張圖反映不同材質(zhì)的圓筒在不同關(guān)系，稱為幾何參數(shù)計(jì)算圖，另一張圖反映不同材質(zhì)的圓筒在不同溫度下，所受外壓力與變形

10、之間關(guān)系的圖，稱為厚度計(jì)算圖，此圖溫度下，所受外壓力與變形之間關(guān)系的圖，稱為厚度計(jì)算圖，此圖不同的材料有不同的圖。不同的材料有不同的圖。 圖算法的步驟圖算法的步驟 利用圖算法設(shè)計(jì)不同類型的圓筒其過程也有所不同，利用圖算法設(shè)計(jì)不同類型的圓筒其過程也有所不同，現(xiàn)以現(xiàn)以2020的圓筒為例說明的圓筒為例說明 確定、確定、p pc c、t t、C C、E E、L L、 、 等相關(guān)參數(shù)；等相關(guān)參數(shù)； 假設(shè)圓筒的名義厚度假設(shè)圓筒的名義厚度 ，得，得 計(jì)算計(jì)算 的值的值； 在幾何參數(shù)計(jì)算圖上，由在幾何參數(shù)計(jì)算圖上，由L L/ /D Do o和和D Do/o/e e在橫坐標(biāo)上找在橫坐標(biāo)上找到系數(shù)到系數(shù)A A值，

11、若值，若L L/ /D DO O大于大于5050、用、用L L/ /D DO=50O=50查圖，若查圖，若L L/ /D DO O小小于于0.050.05，用，用L L/ /D DO=0.05O=0.05查圖查圖； 根據(jù)圓筒所用材料選厚度計(jì)算圖，在此圖上由第（根據(jù)圓筒所用材料選厚度計(jì)算圖，在此圖上由第（4 4）步所得步所得A A值和設(shè)計(jì)溫度值和設(shè)計(jì)溫度t t在縱坐標(biāo)上找到系數(shù)在縱坐標(biāo)上找到系數(shù)B B值，并按下值，并按下式計(jì)算許用外壓力式計(jì)算許用外壓力 p p,即即TpsnCnenioDD2eooDDL,oeDBp 若若A A值落在設(shè)計(jì)溫度下材料線的左方，則直接用下式值落在設(shè)計(jì)溫度下材料線的左方

12、，則直接用下式計(jì)算許用外壓力計(jì)算許用外壓力 p p,即即 比較比較 若若 p pp pc c, ,則以上假設(shè)的則以上假設(shè)的 滿足要求滿足要求, ,否則重新假否則重新假設(shè)另一較大的設(shè)另一較大的 ，重復(fù)以上各步、直至滿足要求為止。，重復(fù)以上各步、直至滿足要求為止。 校核壓力試驗(yàn)時(shí)圓筒的強(qiáng)度校核壓力試驗(yàn)時(shí)圓筒的強(qiáng)度 。oeDEAp32nn五、外壓封頭壁厚確定的圖算法五、外壓封頭壁厚確定的圖算法 受外壓力的凸形封頭（半球形、橢圓形、碟形），利受外壓力的凸形封頭（半球形、橢圓形、碟形），利用圖算法按如下步驟確定壁厚。用圖算法按如下步驟確定壁厚。 假設(shè)封頭的名義厚度假設(shè)封頭的名義厚度 ，得，得 計(jì)算計(jì)算

13、的值的值 對(duì)半球形封頭對(duì)半球形封頭 ，R Ri i 為半球形內(nèi)半徑；為半球形內(nèi)半徑； 對(duì)橢圓形對(duì)橢圓形R RO=O=K K1 1DoDo，K K1 1按表按表3-13-1查?。徊槿。?對(duì)碟形封頭對(duì)碟形封頭R Ro o= =球面部分內(nèi)半徑。球面部分內(nèi)半徑。 nCneeoRnioRR 計(jì)算臨界應(yīng)變計(jì)算臨界應(yīng)變A A值值 根據(jù)圓筒所用材料選厚度計(jì)算圖，在此圖上由第（根據(jù)圓筒所用材料選厚度計(jì)算圖，在此圖上由第（3 3）步所得步所得A A值和設(shè)計(jì)溫度值和設(shè)計(jì)溫度t t在縱坐標(biāo)上找到系數(shù)在縱坐標(biāo)上找到系數(shù)B B值，并按下值，并按下式計(jì)算許用外壓力式計(jì)算許用外壓力 p p,即即 若若A A值落在設(shè)計(jì)溫度下材

14、料線的左方，則直接用下式值落在設(shè)計(jì)溫度下材料線的左方，則直接用下式計(jì)算許用外壓力計(jì)算許用外壓力 p p,即即oeRA125. 0oeRBp2)(0833. 0oeREp 比較：比較： 若若 p pp pc c, ,則以上假設(shè)的滿足要求則以上假設(shè)的滿足要求, ,否則重新假設(shè)另否則重新假設(shè)另一較大的，重復(fù)以上各步、直至滿足要求為止。一較大的，重復(fù)以上各步、直至滿足要求為止。 對(duì)于承受外壓力的錐形殼體，當(dāng)半頂角對(duì)于承受外壓力的錐形殼體，當(dāng)半頂角6060o o時(shí)，時(shí)，按平封頭計(jì)算；當(dāng)按平封頭計(jì)算；當(dāng)6060o o時(shí)，因錐殼與圓筒連接處存在時(shí)，因錐殼與圓筒連接處存在變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的邊緣應(yīng)力，所以在連接

15、處附近圓筒變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的邊緣應(yīng)力，所以在連接處附近圓筒和錐殼都要有足夠的剛度，保證其在外壓力作用下不會(huì)和錐殼都要有足夠的剛度，保證其在外壓力作用下不會(huì)失穩(wěn)。具體計(jì)算方法可參見失穩(wěn)。具體計(jì)算方法可參見GB150GB150。 第三節(jié)第三節(jié) 外壓薄壁圓筒的加強(qiáng)圈外壓薄壁圓筒的加強(qiáng)圈一、加強(qiáng)圈的作用、結(jié)構(gòu)及要求一、加強(qiáng)圈的作用、結(jié)構(gòu)及要求 加強(qiáng)圈的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)圈的結(jié)構(gòu) 加強(qiáng)圈是焊接在圓筒外側(cè)或內(nèi)側(cè)、且具有足夠剛性的加強(qiáng)圈是焊接在圓筒外側(cè)或內(nèi)側(cè)、且具有足夠剛性的圓環(huán)狀構(gòu)件圓環(huán)狀構(gòu)件。其截面形狀有矩形、。其截面形狀有矩形、L L形、形、T T形、形、U U字形、工字形、工字形等。常用型鋼制作，如扁鋼、角鋼

16、、槽鋼、工字鋼字形等。常用型鋼制作，如扁鋼、角鋼、槽鋼、工字鋼等。等。 對(duì)加強(qiáng)圈的要求對(duì)加強(qiáng)圈的要求 加強(qiáng)圈本身應(yīng)具有足夠的剛度，在外壓力作用下不會(huì)加強(qiáng)圈本身應(yīng)具有足夠的剛度，在外壓力作用下不會(huì)失穩(wěn)，才能對(duì)圓筒起到加強(qiáng)作用。失穩(wěn)，才能對(duì)圓筒起到加強(qiáng)作用。 加強(qiáng)圈的作用加強(qiáng)圈的作用 在壁厚一定時(shí)、設(shè)置加強(qiáng)圈可以減小計(jì)算長度，提高在壁厚一定時(shí)、設(shè)置加強(qiáng)圈可以減小計(jì)算長度，提高臨界壓力，也就是提高了圓筒的承載能力；在承載要求臨界壓力，也就是提高了圓筒的承載能力；在承載要求一定時(shí)，設(shè)置加強(qiáng)圈減小了計(jì)算長度，進(jìn)而可減小圓筒一定時(shí)，設(shè)置加強(qiáng)圈減小了計(jì)算長度，進(jìn)而可減小圓筒的壁厚、節(jié)省材料的壁厚、節(jié)省材料。

17、二、加強(qiáng)圈的間距二、加強(qiáng)圈的間距 當(dāng)圓筒的壁厚確定以后，加強(qiáng)圈之間的最大間距可按當(dāng)圓筒的壁厚確定以后，加強(qiáng)圈之間的最大間距可按下式計(jì)算：下式計(jì)算：5 . 2max)(6 . 2oecoDmpEDL 在圓筒上設(shè)置多少加強(qiáng)圈合適，沒有確切的定論。加在圓筒上設(shè)置多少加強(qiáng)圈合適，沒有確切的定論。加強(qiáng)圈多、間距小，節(jié)省筒體材料；但若加強(qiáng)圈太多，則強(qiáng)圈多、間距小，節(jié)省筒體材料；但若加強(qiáng)圈太多，則自身耗材也多、制造費(fèi)用也高。最佳方案是圓筒材料和自身耗材也多、制造費(fèi)用也高。最佳方案是圓筒材料和制造費(fèi)用與加強(qiáng)圈材料和制造費(fèi)用之和為最小，但工程制造費(fèi)用與加強(qiáng)圈材料和制造費(fèi)用之和為最小，但工程實(shí)際很難實(shí)現(xiàn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)

18、一般認(rèn)為每隔實(shí)際很難實(shí)現(xiàn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般認(rèn)為每隔1 12m2m設(shè)置一個(gè)加設(shè)置一個(gè)加強(qiáng)圈為宜。強(qiáng)圈為宜。三、加強(qiáng)圈的圖算法三、加強(qiáng)圈的圖算法 加強(qiáng)圈的穩(wěn)定條件加強(qiáng)圈的穩(wěn)定條件 加強(qiáng)圈組合截面實(shí)際具有的慣性矩加強(qiáng)圈組合截面實(shí)際具有的慣性矩IsIs保持加強(qiáng)圈不保持加強(qiáng)圈不失穩(wěn)所需要的組合截面慣性矩失穩(wěn)所需要的組合截面慣性矩I I。 保持加強(qiáng)圈穩(wěn)定所需要的組合截面慣性矩保持加強(qiáng)圈穩(wěn)定所需要的組合截面慣性矩I I 計(jì)算計(jì)算 根據(jù)加強(qiáng)圈所用材料，在所選的外壓容器厚度計(jì)算圖根據(jù)加強(qiáng)圈所用材料，在所選的外壓容器厚度計(jì)算圖上，由以上所計(jì)算出的上，由以上所計(jì)算出的B B值和設(shè)計(jì)溫度在橫坐標(biāo)上找到系值和設(shè)計(jì)溫度在橫坐

19、標(biāo)上找到系數(shù)數(shù)A A值；若圖中無交點(diǎn)無法得到值；若圖中無交點(diǎn)無法得到A A值，則可直接用下式計(jì)值，則可直接用下式計(jì)算：算： 計(jì)算計(jì)算 sseocLADpBEBA5 . 1ALALDIsseso9 .10)(2 組合截面實(shí)際具有的截面慣性矩組合截面實(shí)際具有的截面慣性矩I Is s 對(duì)如圖示加強(qiáng)圈的截面尺寸，則組合截面實(shí)際具有的對(duì)如圖示加強(qiáng)圈的截面尺寸，則組合截面實(shí)際具有的截面慣性矩按下式計(jì)算。截面慣性矩按下式計(jì)算。222211aAIdAIIs分課題五 厚壁容器 特點(diǎn)： 厚壁容器是三向應(yīng)力狀態(tài)，三個(gè)應(yīng)力中環(huán)向應(yīng)力最大。 環(huán)向應(yīng)力的分布又以內(nèi)壁應(yīng)力最大，而且除經(jīng)(軸)向應(yīng)力，其余兩個(gè)應(yīng)力沿壁厚非均勻分布，并隨著徑比值K的增大，不均勻程度