化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)-第十四章-外壓容器課件

第14章外壓容器穩(wěn)定性問(wèn)題的實(shí)質(zhì)：薄壁殼體不論是受到何種載荷作用，只要?dú)んw內(nèi)產(chǎn)生了壓縮應(yīng)力，就有可能出現(xiàn)穩(wěn)定性問(wèn)題。當(dāng)引起壓應(yīng)力的載荷達(dá)到一定值時(shí)，容器截面會(huì)因剛度不足突然失去原有平衡時(shí)的形狀，產(chǎn)生永久性的壓癟或皺褶，這種現(xiàn)象稱為殼體失去了穩(wěn)定性。臨界應(yīng)力：殼體失穩(wěn)時(shí)的壓應(yīng)力，相應(yīng)的載荷稱為臨界載荷。臨界應(yīng)力低于材料的比例極限時(shí)稱為彈性（線性）失穩(wěn)，高于比例極限時(shí)稱為非彈性（非線性）失穩(wěn)。

概述殼體穩(wěn)定性的實(shí)例高塔受到風(fēng)載荷和重力載荷的共同時(shí)作用時(shí)，在裙座的背風(fēng)側(cè)有可能由于局部壓應(yīng)力過(guò)大而出現(xiàn)局部失穩(wěn)（屈曲）現(xiàn)象。容器在支座處或其它支承處以及在安裝運(yùn)輸中由于過(guò)大的局部外壓等都有可能引起局部失穩(wěn)。受均布內(nèi)壓的橢球殼，如標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，在赤道附近存在壓應(yīng)力而有可能導(dǎo)致環(huán)向失穩(wěn)。因此，在GB150中有“標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%”的規(guī)定，目的就是為了避免在標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的赤道處出現(xiàn)內(nèi)壓下的環(huán)向失穩(wěn)問(wèn)題。容器受到外壓作用時(shí)，除了在筒體與封頭的局部區(qū)域有可能產(chǎn)生拉應(yīng)力之外，在其大部分壁厚區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生壓縮薄膜應(yīng)力。此時(shí)，容器的失效形式有兩種可能：一種是發(fā)生壓縮屈服破壞，另一種是當(dāng)外壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，殼體的徑向撓度隨壓縮應(yīng)力的增加趨向急劇增大，直至容器壓癟，此即為外壓容器的失穩(wěn)。外壓容器的穩(wěn)定性是薄殼穩(wěn)定性問(wèn)題的主要內(nèi)容。實(shí)踐表明，外壓薄壁容器的失穩(wěn)是其主要的失效形式，。真空操作的冷凝器、結(jié)晶器、蒸餾塔等，夾套容器中用于加熱的介質(zhì)的壓力大于內(nèi)筒中的壓力時(shí)，內(nèi)筒即為外壓容器。圓筒所受壓縮載荷有三種情況：軸向受壓，徑向受壓，兩向受壓。筒形容器受氣體外壓時(shí)，屬于二向受壓。裙座受塔體的重力作用屬于軸向受壓。薄壁圓筒受軸向壓縮載荷作用時(shí)，有可能出現(xiàn)軸向失穩(wěn)。軸向失穩(wěn)不同于一般細(xì)長(zhǎng)壓桿的失穩(wěn)，其特點(diǎn)是軸線的直線狀態(tài)不變，但經(jīng)線變?yōu)椴ɡ诵?。工程設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)高塔的裙座可以按照軸向失穩(wěn)來(lái)確定其臨界應(yīng)力，將風(fēng)載荷產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力和塔體重力產(chǎn)生的壓應(yīng)力疊加得到的組合壓應(yīng)力限制在臨界應(yīng)力以下，以保證裙座具有足夠的軸向穩(wěn)定性。外壓容器的穩(wěn)定性取決于圓筒。對(duì)于同樣的壁厚，圓筒比封頭更容易失穩(wěn)。圓筒兩向受壓時(shí)，研究表明這種情況中的軸向外壓對(duì)圓筒失穩(wěn)的影響不大，在工程設(shè)計(jì)中，可按僅受徑向受壓來(lái)考慮，失穩(wěn)時(shí)沿環(huán)向會(huì)形成幾個(gè)波。外壓圓筒的穩(wěn)定性臨界壓力pcr：外壓容器發(fā)生失穩(wěn)時(shí)的相應(yīng)壓力。當(dāng)容器所受外壓超過(guò)臨界壓力時(shí)，容器就會(huì)失穩(wěn)。臨界壓力的高低表示了容器穩(wěn)定性的大小，是表征容器穩(wěn)定性的重要參數(shù)。影響圓筒臨界壓力的因素：圓筒自身的尺寸：壁厚愈大，直徑愈小，愈不易失穩(wěn)。厚徑比愈大，臨界壓力愈高，容器的穩(wěn)定性愈好。圓筒所受的約束：指支撐圓筒提高其保持圓環(huán)截面能力的約束。由于封頭的剛性較筒體高，所以封頭就是外壓圓筒的約束。約束自身的剛度決定了約束對(duì)圓筒材料的支撐能力及影響范圍。短圓筒：兩相鄰約束的影響范圍重疊，約束的強(qiáng)弱對(duì)其穩(wěn)定性有很大影響。短圓筒失穩(wěn)時(shí)呈現(xiàn)兩個(gè)以上的波，其臨界壓力的值較高。對(duì)于一定的圓筒直徑，短圓筒的臨界壓力不僅與壁厚有關(guān)，而且與約束的強(qiáng)弱及約束間的距離有關(guān)。長(zhǎng)圓筒：兩相鄰約束的影響范圍不重疊，對(duì)中間部分的圓筒沒(méi)有加強(qiáng)作用，即其穩(wěn)定性不受約束的影響。長(zhǎng)圓筒失穩(wěn)時(shí)呈現(xiàn)兩個(gè)波（扁形），臨界壓力較低，較易失穩(wěn)。長(zhǎng)圓筒適用圓環(huán)受徑向外壓作用的力學(xué)模型。當(dāng)圓筒穩(wěn)定性不足時(shí)，可以在圓筒上增加剛性約束（加強(qiáng)圈），也可以增加筒壁厚度（圓筒直徑及容積通常取決于工藝要求）。外壓圓筒上設(shè)置加強(qiáng)圈是提高其穩(wěn)定性的經(jīng)濟(jì)而有效的措施。加強(qiáng)圈可設(shè)置在圓筒外部也可以在圓筒內(nèi)部，通常可用工字鋼等型鋼制成。圓筒材料的性能：與壓桿類同，圓筒失穩(wěn)時(shí)環(huán)向“纖維層”發(fā)生了彎曲。對(duì)于彈性失穩(wěn)，臨界壓力與彈性常數(shù)E和μ有關(guān)，與屈服點(diǎn)無(wú)關(guān)。彈性常數(shù)的值愈大，穩(wěn)定性愈好。由于各種鋼材的彈性常數(shù)的值相差不大，因此，對(duì)于彈性（線性）失穩(wěn)來(lái)說(shuō)，選用高強(qiáng)度鋼對(duì)提高筒體的穩(wěn)定性沒(méi)有意義；對(duì)于非彈性（非線性）失穩(wěn)，由于其臨界壓力與材料的強(qiáng)度特性有關(guān)，采用高強(qiáng)度鋼可以提高圓筒的穩(wěn)定性。圓筒的初始缺陷：外壓圓筒的失穩(wěn)并非由于圓筒周線不圓所致，就是說(shuō)即使圓筒橫截面為幾何上的理想圓環(huán)形，圓筒也會(huì)失穩(wěn)。但是，圓筒各種初始缺陷，諸如幾何形狀和尺寸的偏差（如焊接或焊后熱處理引起的變形，鋼板厚度的不均勻，圓筒的橢圓度等）、材料性能的不均勻等，這些都會(huì)對(duì)圓筒的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響，或者說(shuō)臨界壓力對(duì)初始缺陷極為敏感。工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于初始缺陷以穩(wěn)定安全系數(shù)來(lái)反映；一定的穩(wěn)定安全系數(shù)值，是以對(duì)初始缺陷進(jìn)行一定的控制為前提的。外壓容器的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，就是要保證在所承受的外壓下容器具有足夠的穩(wěn)定性，即容器的穩(wěn)定性條件為：pc≤[p]pc–計(jì)算外壓力，許用外壓[p]由計(jì)算得到的臨界壓力pcr除以穩(wěn)定安全系數(shù)m而得。設(shè)計(jì)外壓的確定同樣要考慮容器最危險(xiǎn)的工況。如真空容器當(dāng)無(wú)安全控制裝置（如真空泄放閥）時(shí)，設(shè)計(jì)壓力取0.1MPa.我國(guó)GB150規(guī)定外壓圓筒的穩(wěn)定安全系數(shù)取m=3。這個(gè)安全系數(shù)是以一定制造要求為基礎(chǔ)的，如標(biāo)準(zhǔn)對(duì)圓筒的橢圓度誤差就做了具體規(guī)定。外壓圓筒設(shè)計(jì)的圖算法外壓圓筒的穩(wěn)定性計(jì)算，關(guān)鍵是求取圓筒的臨界壓力pcr

。長(zhǎng)圓筒的臨界壓力與約束無(wú)關(guān)。短圓筒的臨界壓力與約束的強(qiáng)弱及約束間的距離有關(guān)。GB150中采用計(jì)算長(zhǎng)度L（兩相鄰剛性約束間的最大距離）來(lái)表示約束的影響。加強(qiáng)圈可視為剛性約束，凸形封頭計(jì)入其曲面深度的1/3。不論對(duì)于長(zhǎng)圓筒或短圓筒，其臨界壓力可表示為：式中：K—系表示與圓筒失穩(wěn)時(shí)的波數(shù)及L/Do有關(guān)的系數(shù)。臨界應(yīng)力（環(huán)向）：式中scr/E項(xiàng)在GB150中用A表示，意為圓筒失穩(wěn)時(shí)的環(huán)向應(yīng)變，與材料的性能無(wú)關(guān)。長(zhǎng)圓筒（m=0.3）：短圓筒采用美國(guó)海軍水槽試驗(yàn)公式：許用外壓：在GB150中，設(shè)：似乎按上述公式進(jìn)行計(jì)算就可以解決厚度設(shè)計(jì)問(wèn)題。事實(shí)上，就彈性失穩(wěn)而言，如此計(jì)算是一個(gè)比較繁瑣的逐步試算設(shè)計(jì)過(guò)程；對(duì)于非彈性（非線性）失穩(wěn)，上述公式中的E應(yīng)代之以所謂的切線彈性模量Et

，而Et

是一個(gè)變值。圖算法計(jì)算簡(jiǎn)便，更重的是解決了Et的問(wèn)題。厚度增加直徑減小約束減弱L/DoA用于所有材料Aescrs如此將材料拉伸曲線改造后，將所得scr數(shù)據(jù)按B—A關(guān)系繪到雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上，并將大部分的直線部分截去，即得到系數(shù)B的圖。假設(shè)dn，計(jì)算de、L/Do及Do/de用L/Do及Do/de的值查系數(shù)A若L/Do＞50，則用L/Do=50若L/Do

＜0.05，則用L/Do=0.05由A查B（非線性段）或計(jì)算B（線性段），并計(jì)算出許用外壓[p][p]大于pc且接近否？否是結(jié)束圖算法（Do/de≥20的圓筒或管子）的計(jì)算步驟設(shè)置加強(qiáng)圈，確定L/Do否Do/de＜20的圓筒和管子當(dāng)Do/δe＜20時(shí)表明圓筒相對(duì)較厚不易失穩(wěn)，可能發(fā)生塑性失穩(wěn)或塑性屈服破壞（此時(shí)scr已超過(guò)相應(yīng)溫度下的ss）。當(dāng)Do/de＜4時(shí)，說(shuō)明筒體很厚，短圓筒已不可能發(fā)生失穩(wěn)破壞，只有長(zhǎng)圓筒可能發(fā)生失穩(wěn)，因而，此時(shí)的系數(shù)A按前述的長(zhǎng)圓筒的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。這種情況下的許用外壓值可能取決于強(qiáng)度和穩(wěn)定性兩方面，由下述的較小值來(lái)決定：式中：so--應(yīng)力，可理解為許用應(yīng)力，取so=2[s]t和so=0.9sst中的較小值。上式中的第一式為穩(wěn)定性條件，第二式為強(qiáng)度條件，是按厚壁圓筒應(yīng)用Tresca屈服條件導(dǎo)出的。具體的計(jì)算步驟與前述類同，在此不再贅述。軸向受壓圓筒這種情況是指僅受軸向壓力的作有，不包括外壓圓筒軸受壓的情況。例如塔設(shè)備的裙式支座受塔體自重的作用，這種情況由于圓筒直徑較大而不同于壓桿的穩(wěn)定問(wèn)題，失穩(wěn)時(shí)軸線的直線狀態(tài)不會(huì)改變，而是其經(jīng)線會(huì)變成波浪曲線。沿軸線受均勻壓縮的薄壁圓筒，Timoshenko按照線性小變形理論得到臨界應(yīng)力的計(jì)算公式：對(duì)于一般鋼材，可取μ=0.3，于是有但實(shí)驗(yàn)證明，臨界應(yīng)力σcr比上式計(jì)算值低80%～75%，且數(shù)據(jù)分散，原因?yàn)榕R界應(yīng)力對(duì)初始幾何缺陷極為敏感。對(duì)于一般工程上R/δ≤500的情況，可采用如下的修正式：取穩(wěn)定安