外压圆筒与封头的设计(共17张PPT)

2、外压薄壁容器的受力形式： 内压薄壁圆筒：拉应力， 即σm= PD/4δ，σθ= PD/2δ。
外压薄壁圆筒：压应力，
失效形式： 内压容器：强度破坏；
外压容器：很少因为强度不足发生破坏，常常 是因为刚度不足而发生失稳。
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3、失稳及其实质 失稳：承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一数 值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载 荷卸除后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的失 稳。
失稳时的真空度/mm水柱 L＜ Lcr′ ， 属于刚性圆筒。 （2）但是壳体的椭圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的数值降低，使失稳提前发生。 （1）侧向失稳，圆筒环向纤维受弯，所以L/D相同时， δ/D越大，筒壁抵抗变形的能力越强，临界压力越高； 圆筒失稳时，在绝大多数情况下，筒壁内的压应力并没有达到材料的屈服点（即弹性失稳） 。 无论壳体的形状多么精确，材料多么均匀，当外压力达到一定数值时也会失稳。 （1）稳定性的破坏并不是由于壳体存在椭圆度或材料不均匀而引起的。 Lcr′ ＜L＜Lcr， 属于短圆筒； 第五章 外压圆筒与封头的设计 无论壳体的形状多么精确，材料多么均匀，当外压力达到一定数值时也会失稳。 但是，由于各种钢材的E和μ值相差不大，所以 选用高强度钢代替一般碳素钢制造并不能提高筒体的临界压力。 若某圆筒的计算长度为L，则： 封头的计算长度为凸形封头1/3的凸面高度。 4 外压球壳与凸形封头的设计 若某圆筒的计算长度为L，则： L/D0较小δe/D0较大 L＜ Lcr′ ， 属于刚性圆筒。 内压薄壁圆筒：拉应力， 第五章 外压圆筒与封头的设计
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5.2 临界压力
临界压力的概念 4 外压球壳与凸形封头的设计
对于凸形端盖：L=圆筒长＋封头直边段＋n×1/3端盖
对于凸形端盖：L=圆筒长＋封头直边段＋n×1/3端盖
临界压力：导致筒体失稳的最小压力。以P 圆筒失稳时，在绝大多数情况下，筒壁内的压应力并没有达到材料的屈服点（即弹性失稳） 。
❖ 3、刚性圆筒
❖
刚性圆筒不存在弹性失稳而破坏的问题，只需校核其
强度是否足够。其强度校核公式与计算内压圆筒的公式一
样，只是式中的许用应力采用材料的压缩许用应力。
[
pw
]
2[
Di
]t e e
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5.2临界压力
临界长度
1、临界长度 划分长、短和刚性圆筒之间的一个长度标准。外压圆筒是长
300
4
比较①和②，L/D相同时，δ/D越大，临界压力越高； 比较②和③， δ/D相同时，L/D越小，临界压力越高； 比较③和④， δ/D，L/D相同时，有加强圈的，临界压力高。
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❖ 分析：
❖ （1）侧向失稳，圆筒环向纤Biblioteka 受弯，所以L/D相同时， δ/D越
大，筒壁抵抗变形的能力越强，临界压力越高；
5.2临界压力
2、筒体材料性能的影响
圆筒失稳时，在绝大多数情况下，筒壁内的压应力并 没有达到材料的屈服点（即弹性失稳） 。故这种情况失
稳与材料的屈服点无关，只与材料的弹性模数E和泊松比 μ有关。材料的弹性模数E和泊松比μ越大，其抵抗变 形的能力就越强，因而其临界压力也就越高。
❖
但是，由于各种钢材的E和μ值相差不大，所以 选
长圆筒、短圆筒、钢性圆筒
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表5-1 外压圆筒稳定性实验
实验序号 筒径/mm
①
90
②
90
③
90
④
90
筒长/mm
175 175 350 350
筒体中间有 壁厚/mm 无加强圈
无
0.51
无
0.3
无
0.3
1个
0.3
失稳时的真 失稳时的波 空度/mm水 形数/个 柱
500
4
300
4
120～150 3
h
h
h
h
h 3
L
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hh 33
h 3
LL L
5.2临界压力
1. 长圆筒临界压力：
Pcr
2.2Et
e
D0
3
2. 短圆筒临界压力：
Pcr
2.59Et
e/D0 2.5 L/D0
δe：筒体的有效壁厚，mm；
D0：筒体的外直径，mm；
L ： 筒体的计算长度，mm。
长圆筒的临界压力与长度无关，仅与圆筒厚与直径的比 值有关。
2022/11/23 短圆筒的临界压力随筒体计算长度增加而减小。
第五章 外压圆筒与封头的设计
5.1 概述
5.2 临界压力 5.3 外压圆筒的工程设计
5.4 外压球壳与凸形封头的设计
5.5 外压圆筒加强圈的设计
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5.1概述
外压容器的失稳
1.外压容器：壳体外部压力大于壳体内部压力的 容器
实例：减压精馏塔、真空冷凝器、夹套反应
釜等
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封头的计算长度为凸形封头1/3的凸面高度。
其强度校核公式与计算内压圆筒的公式一样，只是式中的许用应力采用材料的压缩许用应力。
材料的弹性模数E和泊松比μ越大，其抵抗变形的能力就越强，因而其临界压力也就越高。
对于凸形端盖：L=圆筒长＋封头直边段＋n×1/3端盖
外压筒体计算长度L：指筒体上两个刚性构件如封头、法兰、加强圈之间的最大距离。
L＞Lcr，
属于长圆筒；
Lcr′ ＜L＜Lcr，
属于短圆筒；
L＜ Lcr′ ，
属于刚性圆筒。
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外压筒体计算长度L：指筒体上两个刚性构件如封头、法兰、加强圈之间的 最大距离。
对于凸形端盖：L=圆筒长＋封头直边段＋n×1/3端盖 深度（n=1或2）
对于法兰： L=两法兰面之间的距离
对于加强圈： L=加强圈中心线之间的距离
圆筒还是短圆筒，可根据临界长度Lcr来判定。 2、Lcr和Lcr/ 值Pcr当和圆用筒短处圆于筒临公界式长计度算Lcr的时临，界用压长力圆值筒公Pcr式/应计相算等所，得即的临界压力
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pcr2.2E t D e 0 3p'cr2.59E te L //D D oo 2.5
Lcr 1.17D0
D0
e
5.2临界压力
计算长度L＞Lcr时，圆筒为长圆筒
计算长度L＜Lcr时，圆筒为短圆筒
同理，当圆筒处于临界长度Lcr′时，用短圆筒公式计算
所得的临界压力值Lcr′和用刚性圆筒公式计算的最大允许工作
压力值[Pw]应相等，此时求出的L即为Lcr′ 。
3、长圆筒、短圆筒和刚性圆筒的定量描述
若某圆筒的计算长度为L，则：
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5.2临界压力
长圆筒、短圆筒、钢性圆筒
长圆筒
短圆筒 刚性圆
筒
相对几何尺寸 两端边界影响
L/D0较大
忽略
L/D0较小 L/D0较小 δe/D0较大
显著
临界压力
只与 δe/D0有 关，与 L/D0无关
与δe/D0 有关，与 L/D0有关
失稳波形数 2
大于2的整 数
不失稳
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Lcr′ ＜L＜Lcr， 属于短圆筒；
1、筒体几何尺寸的影响 但是，由于各种钢材的E和μ值相差不大，所以 选用高强度钢代替一般碳素钢制造并不能提高筒体的临界压力。
L/D0较小δe/D0较大
主要考虑筒体的 和 /D L/D δ 。 长圆筒的临界压力与长度无关，仅与圆筒厚与直径的比值有关。
L＞Lcr，
属于长圆筒；
Lcr′ ＜L＜Lcr， 属于短圆筒；
cr表示。
外压薄壁圆筒：压应力，
Lcr′ ＜L＜Lcr， 属于短圆筒；
故这种情况失稳与材料的屈服点无关，只与材料的弹性模数E和泊松比μ有关。
影响临界压力的因素 当圆筒处于临界长度Lcr时，用长圆筒公式计算所得的临界压力值Pcr和用短圆筒公式计算的临界压力值Pcr/应相等，即
用高强度钢代替一般碳素钢制造并不能提高筒体的临界压
力。
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5.2临界压力
3、筒体椭圆度和材料不均匀性的影响 （1）稳定性的破坏并不是由于壳体存在椭圆度或材料不均 匀而引起的。无论壳体的形状多么精确，材料多么均匀， 当外压力达到一定数值时也会失稳。 （2）但是壳体的椭圆度与材料的不均匀性能使其临界压力 的数值降低，使失稳提前发生。 椭圆度：e = （Dmax - Dmin）/DN，此处Dmax及Dmin分别为筒体同 一横截面上的最大及最小内直径，DN为圆筒的公称直径。
❖ （2）封头的刚性较筒体的刚性强，所以δ/D相同时，L/D越小，临界
压力越高；
❖ （3）加强圈对圆筒可以起到支撑作用，所以δ/D，L/D相同时，有
加强圈的，临界压力高。
❖ 计算长度：指两相邻刚性支撑件（加强圈、封头、法兰等）的 间距。
❖
封头的计算长度为凸形封头1/3的凸面高度。
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容器失稳型式的分类
1、侧向失稳
容器由均匀侧向外压引起的失稳，叫侧向失稳，特点是失稳时，壳
体横断面由原来的圆形变为波形，波数可以是两个、三个、四个……，如图 所示
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2、轴向失稳
容器承受轴向外压，失稳后，仍然 具有圆形的横截面， 母线产生了波形。 外压筒体计算长度L：指筒体上两个刚性构件如封头、法兰、加强圈之间的最大距离。