第八章 外壓容器設(shè)計(jì)

第八章外壓容器8.1外壓容器失穩(wěn)與臨界壓力8.1.1外壓容器失穩(wěn)外壓容器：容器外部壓力大于內(nèi)部壓力。石油、化工生產(chǎn)中外壓操作，例如：石油分餾中的減壓蒸餾塔、多效蒸發(fā)中的真空冷凝器、帶有蒸汽加熱夾套的反應(yīng)釜、真空干燥、真空結(jié)晶設(shè)備等。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。這種在外壓作用下，筒體突然失去原有形狀的現(xiàn)象稱(chēng)彈性失穩(wěn)。失穩(wěn)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)失穩(wěn)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)：外壓失穩(wěn)前，只有單純的壓縮應(yīng)力，在失穩(wěn)時(shí)，產(chǎn)生了以彎曲應(yīng)力為主的附加應(yīng)力。外壓容器的失穩(wěn)，實(shí)際上是容器筒壁內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)由單純的壓應(yīng)力平衡躍變?yōu)橹饕軓澢鷳?yīng)力的新平衡失穩(wěn)的分類(lèi)側(cè)向失穩(wěn)軸向失穩(wěn)局部失穩(wěn)側(cè)向失穩(wěn)側(cè)向失穩(wěn):由于均勻側(cè)向外壓引起的失穩(wěn)稱(chēng)為側(cè)向失穩(wěn)殼體橫斷面由原來(lái)的圓形被壓癟而呈現(xiàn)波形，其波形數(shù)可以等于兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)……。圖片軸向失穩(wěn)軸向失穩(wěn)：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。失穩(wěn)后，仍具有圓環(huán)截面，但破壞了母線(xiàn)的直線(xiàn)性，母線(xiàn)產(chǎn)生了波形，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(guò)大的局部外壓也可能引起局部失穩(wěn)。8.1.2臨界壓力計(jì)算臨界壓力:導(dǎo)致筒體失穩(wěn)的外壓,以Pcr表示臨界應(yīng)力：筒體在臨界壓力作用下，筒壁內(nèi)的環(huán)向壓縮應(yīng)力，以表示。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。達(dá)到或高于Pcr時(shí)，產(chǎn)生的曲波形將是不可能恢復(fù)的。臨界壓力與哪些因素有關(guān)?1、材料的彈性模量E、泊松比有關(guān)2、容器的幾何特性尺寸3、容器的幾何形狀的偏差也會(huì)降低臨界壓力（如橢圓度）外壓圓筒的分類(lèi)

長(zhǎng)圓筒：剛性封頭對(duì)筒體中部變形不起有效支撐，最容易失穩(wěn)壓癟，出現(xiàn)波紋數(shù)n=2的扁圓形。短圓筒：兩端封頭對(duì)筒體變形有約束作用，失穩(wěn)破壞波數(shù)n>2，出現(xiàn)三波、四波等的曲形波。剛性圓筒：若筒體較短，筒壁較厚，即L/D0較小，較大，容器的剛性好，不會(huì)因失穩(wěn)而破壞。長(zhǎng)圓筒長(zhǎng)圓筒的臨界壓力計(jì)算公式：勃萊斯公式式中：Pcr-臨界壓力，MPa；

de-筒體的有效厚度，mm；

D0-筒體的外直徑，mmE-操作溫度下圓筒材料的彈性模量，MPa-材料的泊松比。分析：長(zhǎng)圓筒的臨界壓力僅與圓筒的相對(duì)厚度有關(guān)，而與圓筒的相對(duì)長(zhǎng)度L/D0無(wú)關(guān)。對(duì)于鋼制圓筒，m=0.3，則適用于彈性失穩(wěn),非彈性失穩(wěn)誤差較大,失穩(wěn)時(shí)的周向臨界應(yīng)力短圓筒米賽斯公式:短圓筒的臨界壓力計(jì)算公式：拉姆近似式：短圓筒臨界壓力與相對(duì)厚度有關(guān)，也隨相對(duì)長(zhǎng)度L/D0變化。L/D0越大，封頭的約束作用越小，臨界壓力越低。計(jì)算長(zhǎng)度L為筒體計(jì)算長(zhǎng)度，指兩相鄰加強(qiáng)圈的間距；對(duì)與封頭相連接的那段筒體而言，應(yīng)計(jì)入凸形封頭中的1/3的凸面高度。說(shuō)明：臨界壓力計(jì)算公式使用范圍臨界壓力計(jì)算公式在認(rèn)為圓筒截面是規(guī)則圓形及材料均勻的情況下得到的。實(shí)際筒體都存在一定的圓度，不可能是絕對(duì)圓的，實(shí)際筒體臨界壓力將低于計(jì)算值。但即使殼體形狀很精確和材料很均勻，當(dāng)外壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，也會(huì)失穩(wěn)，只不過(guò)是殼體的圓度與材料的不均勻性能使其臨界壓力的數(shù)值降低，使失穩(wěn)提前發(fā)生。剛性筒剛性筒是強(qiáng)度破壞，計(jì)算時(shí)只要滿(mǎn)足強(qiáng)度要求即可，其強(qiáng)度校核公式與內(nèi)壓圓筒相同。臨界長(zhǎng)度當(dāng)圓筒處于臨界長(zhǎng)度Lcr時(shí)，長(zhǎng)圓筒公式計(jì)算臨界壓力Pcr值和短圓筒公式計(jì)算臨界壓力Pcr值應(yīng)相等實(shí)際外壓圓筒是長(zhǎng)圓筒還是短圓筒，可根據(jù)臨界長(zhǎng)度Lcr來(lái)判定。臨界長(zhǎng)度的計(jì)算公式當(dāng)筒長(zhǎng)度L≥Lcr，Pcr按長(zhǎng)圓筒當(dāng)筒長(zhǎng)度L≤Lcr時(shí)，Pcr按短圓筒公式按規(guī)則圓形推的，實(shí)際圓筒總存在一定的不圓度，公式的使用范圍必須要求限制筒體的圓度e。8.2外壓圓筒的設(shè)計(jì)算法概述外壓筒體的設(shè)計(jì)與內(nèi)壓筒體相比，共同點(diǎn)都是要滿(mǎn)足強(qiáng)度條件，不同點(diǎn)的外壓筒體要進(jìn)行穩(wěn)定性校核，為提高穩(wěn)定性，常設(shè)有加強(qiáng)圈，這使受力和穩(wěn)定性計(jì)算變得更為復(fù)雜，初始橢圓度也會(huì)導(dǎo)致失穩(wěn)壓力降低，因此對(duì)橢圓度要嚴(yán)格控制，不同幾何特性的外壓筒體會(huì)出現(xiàn)不同的破壞形式，相應(yīng)要用不同方式進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)一個(gè)外壓筒體要先作假設(shè)（假設(shè)壁厚），經(jīng)反復(fù)計(jì)算校核后才能完成。工程上設(shè)計(jì)外壓容器多輔以算圖來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，常用方法解析法和圖算法。設(shè)計(jì)思路外壓設(shè)計(jì)的總體思路：保證工作壓力P小于許用外壓[P]而[P]=Pcr/mm決定于Pcr的準(zhǔn)確程度、制造技術(shù)、焊縫結(jié)構(gòu)形式等因素。我國(guó)規(guī)定m=38.2.1解析法：根據(jù)容器的操作工況，選筒體材料；假設(shè)壁厚，確定有效壁厚；根據(jù)已知條件計(jì)算，與相比確定圓筒的長(zhǎng)、短圓筒屬性；根據(jù)筒體屬性，確定其許用設(shè)計(jì)外壓力；確定設(shè)計(jì)外壓力p

且接近時(shí)，假設(shè)的壁厚可作為設(shè)計(jì)壁厚，相差太大，假設(shè)的壁厚不合適，應(yīng)重選，再重復(fù)以上計(jì)算步驟，直至滿(mǎn)足要求為止。設(shè)計(jì)外壓設(shè)計(jì)外壓：不小于正常工作過(guò)程中可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓力差。真空容器：有安全控制裝置（真空泄放閥），取1.25倍最大內(nèi)外壓差或0.1MPa中較小值；無(wú)安全控制裝置，取0.1MPa帶夾套容器：真空設(shè)計(jì)壓力再加上夾套設(shè)計(jì)壓力。8.2.2圖算法

工程上設(shè)計(jì)外壓容器多輔以算圖來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，常用的方法有解析法和圖算法，GB150推薦的是圖算法圖算法外壓筒體的穩(wěn)定性校核是以米賽斯公式為基礎(chǔ)，經(jīng)簡(jiǎn)化制成算圖進(jìn)行計(jì)算的。B與A的關(guān)系利用材料單向拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線(xiàn)，縱坐標(biāo)按2/3的比例縮小，得B與A的關(guān)系曲線(xiàn)由A查圖14-7至圖14-9得到B利用圖算法可使外壓容器的設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)便但仍需試算算圖算圖設(shè)計(jì)步驟1、假設(shè),計(jì)算,定出、值；2、根據(jù)幾何特性尺寸按圖14-6縱坐標(biāo)找到值，由此點(diǎn)沿水平方向右移與線(xiàn)相交（遇中間值

則用內(nèi)插法，若，用查圖，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)的值為A；3、根據(jù)所用材料，設(shè)計(jì)溫度，從A-B關(guān)系圖（圖814-7至圖14-9）中選用，讀出B值，計(jì)算許用外壓力[p]：許用外壓力[p]：諾A點(diǎn)處于溫度線(xiàn)的右方（非彈性失穩(wěn)，E非定值），由此點(diǎn)垂直上移，與材料的溫度線(xiàn)的交點(diǎn)（中間值采用內(nèi)插法）所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)值為B；若所得A處于溫度線(xiàn)左方，屬?gòu)椥允Х€(wěn)，E為定值，設(shè)計(jì)步驟4、比較許用外壓[p]與設(shè)計(jì)外壓p若p≤[p]，假設(shè)的厚度可用，若小得過(guò)多，可將適當(dāng)減小，重復(fù)上述計(jì)算若p＞[p]，需增大初設(shè)的，重復(fù)上述計(jì)算，直至使[p]＞p且接近p為止。8.2.3外壓容器的試壓外壓容器和真空容器按內(nèi)壓容器進(jìn)行液壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力取1.25倍的設(shè)計(jì)外壓，即式中p-設(shè)計(jì)外壓力，MPa；pT-試驗(yàn)壓力，MPa。氣壓試驗(yàn)夾套容器試壓夾套容器內(nèi)筒如設(shè)計(jì)壓力為正值時(shí)，按內(nèi)壓容器試壓；如設(shè)計(jì)壓力為負(fù)值時(shí)按外壓容器進(jìn)行液壓試驗(yàn)。夾套容器液壓試驗(yàn)合格后再焊接夾套。夾套內(nèi)壓試驗(yàn)壓力夾套內(nèi)壓試驗(yàn)必須事先校核該容器在夾套試壓時(shí)的穩(wěn)定性是否足夠。不滿(mǎn)足穩(wěn)定性，則液壓試驗(yàn)時(shí)容器內(nèi)保持一定壓力，以便在整個(gè)試壓過(guò)程中，夾套與筒體的壓力差不超過(guò)設(shè)計(jì)值。例：某圓筒形容器，其內(nèi)徑2400mm，長(zhǎng)14000mm，，兩標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，直邊高度為50mm，材料為0Cr18Ni9，最高溫度為480C，真空下操作，無(wú)安全控制裝置，腐蝕余量為0，分別用解析法和算圖法求筒體厚度。例：分餾塔內(nèi)徑2000mm，塔身(不包括橢圓形封頭)長(zhǎng)度為6000mm，封頭深度500mm。370℃及真空條件下操作?，F(xiàn)庫(kù)存有9、12、14mm厚20g鋼板。能否用這三種鋼板制造。8.3真空容器加強(qiáng)圈的計(jì)算10.3.1加強(qiáng)圈的作用及結(jié)構(gòu)要求10.3.1.1作用裝上一定數(shù)量的加強(qiáng)圈，利用圈對(duì)筒壁的支撐作用，可以提高圓筒的臨界壓力，從而提高其工作外壓。

扁鋼、角鋼、工字鋼等都以制作加強(qiáng)圈。在圓筒的外部或內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)圈可以減小筒體的計(jì)算長(zhǎng)度（兩剛性構(gòu)件之間的最大距離）8.3.1.2結(jié)構(gòu)加強(qiáng)圈應(yīng)有足夠的剛性，常用角鋼、扁鋼、工字鋼或其他型鋼制成，因?yàn)樾弯摰慕孛鎽T性矩大且成型方便，容器內(nèi)構(gòu)件如塔盤(pán)，若設(shè)計(jì)成起加強(qiáng)作用時(shí)，也可作加強(qiáng)圈用。加強(qiáng)圈可設(shè)置在容器的內(nèi)部或外部，通常采用連續(xù)焊縫或間隙焊縫與筒體相連，設(shè)置在筒外的加強(qiáng)圈，每側(cè)間斷焊縫的總長(zhǎng)應(yīng)不小于容器外周長(zhǎng)的1/2，在筒體的內(nèi)部時(shí)，應(yīng)不小于筒體內(nèi)周長(zhǎng)的1/3，加強(qiáng)圈兩側(cè)的間斷焊縫可以相互錯(cuò)開(kāi)或并排布置，焊縫間的最大間隙，外加強(qiáng)圈為，內(nèi)加強(qiáng)圈為。結(jié)構(gòu)圖加強(qiáng)圈不得任意削弱或割斷，水平容器加強(qiáng)圈須開(kāi)排液小孔。允許割開(kāi)或削弱而不需補(bǔ)強(qiáng)的最大弧長(zhǎng)間斷值，留出的間隙弧長(zhǎng)應(yīng)符合GB150的規(guī)定。8.3.2加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算及步驟設(shè)置加強(qiáng)圈后，加強(qiáng)圈與筒體的有效段組合成一剛性較大的圓環(huán)。裝有加強(qiáng)圈的筒體，受外力作用時(shí)，作用在加強(qiáng)圈兩側(cè)各L/2范圍內(nèi)筒體上的外壓力，通常由部分筒體（寬度為2b的筒體）有效段與加強(qiáng)圈所組成的具有組合截面的剛性環(huán)來(lái)承擔(dān)。加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算與步驟（參考）1、初定加強(qiáng)圈的數(shù)目n和間距；2、選擇加強(qiáng)圈的材料，初定加強(qiáng)圈的結(jié)構(gòu)與截面尺寸（或型鋼規(guī)格），計(jì)算或由有關(guān)手冊(cè)查出其截面面積及加強(qiáng)圈與有效段筒體實(shí)際所具有的組合慣性矩見(jiàn)例8-3；3、根據(jù)設(shè)計(jì)壓力p，圓筒外直徑和有效厚度（加強(qiáng)圈面積A及加強(qiáng)圈間距L）可計(jì)算B值；GB150規(guī)定：加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)計(jì)算與步驟：4、應(yīng)用圖8-21－圖8-2