外压容器设计
外压容器设计参数的确定.
外压容器的其他设计参数，如设计温度、 焊接接头系数、许用应力等与内压容器相同
二、外压容器的压力试验参数
外压容器和内压容器一样，在制成或经长期 使用检修以后，必须进行耐压试验，试验合格后 方可投入运行。不合格须补焊后再试验。 液压试验时的试验压力： 气压试验时的试验压力：
pT 1.25 p
pT 1.1 p
职业教育应用化工技术专业教学资源库《化工设备认知与制图》课程
外压容器设计参数的确定
吉林工业职业技术学院
一、外压容器设计参数的确定
对于外压容器而言，计算外压力Pc是 确定受压元件厚度的依据。 因此：计算压力Pc正常工作过程中 可能产生的最大内外压差。
一、外压容器设计参数的确定
真空容器：有安全装置，设计压力取1.25 倍最大内外压差或0.1MPa中的较小值；无安 全装置，取0.1MPa。在以上基础上考虑相应 的液柱静压力，可得计算外压力Pc 。 夹套容器：其计算外压力应考虑各室之 间的最大压力差。
外压容器的设计计算
外压容器的设计计算外压容器是一种用于储存或输送气体、液体或粉状物料的设备，设计计算是确保容器在正常工作条件下能够承受外部压力的重要环节。
下面将从容器的负荷计算、材料选择和结构强度校核等方面进行详细介绍。
首先，容器的负荷计算是设计计算的关键步骤之一、负荷可分为静止负荷和动载荷两部分。
静止负荷包括容器本身的重量、储存物的重量以及设备上附件的负荷；动载荷包括地震力、风荷载等。
针对每个负荷的特点，需要采用相应的计算方法进行计算。
静止负荷的计算可以使用强度、稳定性和刚度等方面的计算方法，而动载荷则可以使用动力学和模态分析方法。
接下来，材料选择是外压容器设计中的另一个重要考虑因素。
一般而言，常用的材料包括钢材、不锈钢和复合材料等。
在材料选择中，需要考虑材料的强度、刚度、耐腐蚀性、可焊性、可加工性等因素。
根据容器的具体工作条件和介质特性，可以选择合适的材料。
然后，容器的结构强度校核是设计计算中最关键的一步。
容器的结构强度主要包括轴向强度、环向强度和承压壳体强度三个方面。
轴向强度是指容器在轴向受力状态下的承载能力，一般计算采用拉伸强度和挤压强度的计算方法。
环向强度是指容器在环向受力状态下的承载能力，计算时采用圈接强度和薄壁圆筒强度的计算方法。
承压壳体强度是指容器在由于外压而受到的承载能力，计算时采用塑性分析和有限元分析方法。
此外，容器的设计还需要满足相应的安全要求。
例如，容器需要满足静态不破坏条件和动态不破坏条件，防止容器发生破裂，对人身和财产造成伤害。
同时，容器还需要满足泄漏要求，确保储存物料的安全。
容器的设计还需要满足相关的法律法规和标准要求，如ASME（美国机械工程师学会）标准。
综上所述，外压容器的设计计算是确保容器在正常工作条件下能够承受外部压力的关键环节。
其中包括负荷计算、材料选择和结构强度校核等方面。
通过科学合理的设计计算，可以保证容器的安全性和可靠性，提高容器的使用寿命，为工业制造提供可靠的储存和输送设备。
过程设备设计-外压容器设计
（2）文教政策有鲜明政治性，服务政治、德育 （人伦道德教育）为重。 （3）重视官学（主要是大学），容纳私学，形成 一定的互补性。
（4）学校教育与取士选官制度的合一。
（5）贯穿学校、家庭、社会教育三者并重的精神。
第五章 外压容器设计
1、概述
2外压薄壁圆柱壳弹形失稳分析
短圆筒计算公式，由来塞斯(R、V.Misses)推出：
E e nl R n 1 1 R
2 2
Pcr
2
e 3 2 E 2n 2 1 ( ) n 1 2 2 12 1 R nl 1 R
式中：R——圆筒中面半径，cm； L——圆筒计算长度，cm； n——失稳的波数。 临界压力与波数n有关，但不是单调函数，需求的不同n值 时的值，其中最小值即为所求的。
R.V.Southwell对其进行了简化
3 凸形封头的弹形失稳分
第四章外压容器设计
2
第一节
概述
二、临界压力 外压容器发生失稳时的相应压力称为临界压力 。 薄壁圆筒受侧向均布外力作用，一旦达到临界压力时 ，沿周向将形成几个波。
外压圆筒的失稳形态
3
第一节
概述
临界压力
临界压力除与圆筒材料的E、μ有关外，主要和 圆筒长度与直径之比值、壁厚与直径的比值有关。
早期对外压圆筒的分析是按照理想圆柱壳线性小 挠度理论进行的，但失稳实验表明该分析结果不正确， 根本原因壳体失稳本质上是几何非线性问题，，所以 失稳分析应按非线性大挠度来考虑。
4
第一节
概述
临界压力表述与许用设计外压的确定
[p] Pcr/m
[P]－许用设计外压，MPa Pcr－临界压力，MPa m－稳定系数， 我国钢制压力容器标准取m=3
5
第一节
概述
外压容器的设计参数 1、设计压力和液压试验压力
设计压力P设：正常工作过程中可能产生的最大内外压差。
真空容器：有安全装置，取（1.25Pmax，0.1MPa）中的 较小值；无有安全装置，取0.1MPa 夹套容器：内部真空，真空容器设计压力＋夹套设计压力； 应考虑容器可能出现的最大压差的危险工况。 如内筒泄漏、夹套液压试验等工况…
3
3
式中：Pcr---沿圆环单位周 长上的载荷； t---圆环的壁厚； R---圆环中性面的 半径，D=2R； E---圆环材料的弹 性模量。
15
一、受均布侧向外压的长圆筒的临界压力
(三)长圆筒的临界压力公式
16
二、受均布侧向外压短圆筒的临界压力
(一)未加强圆筒的临界压力
或
(二)临界长度
(三)带加强圈的圆筒
概述
外压容器的设计参数
外压容器设计11
三、加强圈的设计计算
二、加强圈尺寸
参数A、B
cr
A
Pcr Do 2Ete
(4 - 26)
式中te为圆筒在设置加强圈后的等效壁厚
38
三、加强圈图算法的基本步骤
(1)设定加强圈个数n,计算加强圈间距Ls=L/(n-1)
(2)选定加强圈（扁钢、角钢或工字钢）， 计算B，
(3)由B查A，若交不到，计算A
▪ 有一个圆筒容器，材料为20R，E 2105 MPa ▪ 圆筒内径D2=1000mm,壁厚S=10mm，长度
为20m，常温操作，承受均匀气体外压力， 求： ▪ 1、当圆筒椭圆度为0.2%时的临界压力； ▪ 2、当圆筒长度改为2m时重新计算。
52
44
三、外压法兰的计算
外压法兰仍利用Water 对内压法兰建立的 应力公式进行计算。
在预紧情况下，外压法兰与内压法兰的力 矩计算相同；
在操作状态下，因流体轴向静压力的方向 与内压时相反，升压时螺栓力降低，垫片反 力反而增加，故可以假定W＝0，P3＝P1＋P2
45
三、外压法兰的计算
46
三、外压法兰的计算
m
“ 设计规定”稳定性系数m＝3，此时要求了圆筒的 不圆度e
16
第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算
一、受均布侧向外压的长圆筒的临界压力 二、受均布侧向外压短圆筒的临界压力 三、轴向受压圆筒的临界应力
17
一、受均布侧向外压的长圆筒的临界压力
基本概念：长圆筒与短圆筒 当圆筒的长度与直径之比较大时，其中间部
29
第三节 外压圆筒的设计计算
一、解析法 二、图算法
30
第三节 外压圆筒的设计计算
一、解析法 基本原则：
外压容器设计PPT课件
直径选择
根据容器的用途、运输限 制和制造工艺等因素，选 择合适的直径。
直径与壁厚关系
根据容器承受的外压载荷 和材料特性，确定直径与 壁厚的关系，以满足强度 和稳定性的要求。
直径与高度关系
在满足强度和稳定性的前 提下，合理设计容器直径 与高度的比例，以实现容 器的轻量化。
容器高度设计
高度选择
根据容器的用途、工艺要求和运 输限制等因素，选择合适的高度。
分析容器的疲劳寿命， 预测可能出现的疲劳 裂纹和断裂。
05
外压容器制造工艺
容器材料加工工艺
钢材预处理
包括切割、矫形、抛丸等步骤，确保钢材表面清洁、无锈迹，为 后续的焊接和组装提供良好的基础。
卷板机加工
将钢材通过卷板机进行弯曲加工，形成所需的弧度和形状，以满 足容器设计的需要。
坡口加工
在焊接前对钢材进行坡口加工，形成焊接所需的坡口角度和形状， 以确保焊接质量和强度。
的密封方式。
密封结构
02
密封结构可以采用单层或双层密封结构，也可以采用其他形式
的密封结构。
密封材料
03
密封材料应选择耐高温、耐腐蚀、耐磨损的材料，以确保密封
结构的可靠性。
04
外压容器强度分析
应力分析
1 2
一次应力
由压力、重力和其他机械载荷引起的应力。
二次应力
由容器变形或温度变化引起的应力。
3
峰值应力
外压容器设计ppt课件
• 外压容器设计概述 • 外压容器设计原理 • 外压容器结构设计 • 外压容器强度分析 • 外压容器制造工艺 • 外压容器应用案例
01
外压容器设计概述
外压容器的定义与特点
总结词
外压容器设计
外压容器设计一、外压容器的稳定性1、外压容器的稳定性概念外压容器的失效形式 强度不足 破裂刚度不足 失稳2、临界压力（1）临界压力（ P 临）:导致筒体失稳时的外压。
临界压应力（σ临）：筒体在P 临作用下筒体内存在 的环向应力。
(2)许用压应力为保证外压容器的使用安全，设计压力应当满足如下条件：∴ P 临≥mP P 临≥3P (3)影响临界压力的因素①P 临与筒体尺寸的关系(i)当L/D 相同时，S/D 抗弯曲 P 临 (ii)当S/D 相同时，L/D 圆筒越短 P 临L/D 圆筒越长 P 临 短圆筒：能得到封头支撑作用的圆筒长圆筒：得不到封头支撑作用的圆筒∴ S/D 相同时，短圆筒的P 临高（iii ）当S/D 、 L/D 都相同时，有加强圈者P 临高② P 临与材料性质的关系因圆筒体失稳时，其压应力并没达到材料的屈服极限，说明P 临与材料的屈服极限无直接关系。
而材料的弹性模量E 对E —抗变形能力， P 临各种材料的E 值相差不大,所以采用高强度钢代替一般碳钢制造外压容器并不能提高圆筒的P 临，相反还增加了容器的成本。
材料的组织不均匀性合同体的不圆度将使P 临下降。
][P m P p =≤临二、外压容器的设计1、理论公式计算法（1）壁厚的计算钢制长圆 : 钢制短圆筒： 将P 临≥3P 代入可得1)钢制长圆筒： mm2)钢制短圆筒: mm3)刚性圆筒一般：S L 的圆筒叫刚性圆筒一般不存在失稳，因此只考虑强度即可（2）临界长度 L 临当短圆筒的长度大到某一临界值L 临时，封头对筒体的支撑作用将完全消失，这时短圆筒的P 临将下降到长圆筒的P 临，即：解得： 为区别长短圆筒的临界长度 当 L< L 临时, 为短圆筒L>L 临时，为长圆筒(3)用理论公式设计的步骤①设理论壁厚为S 。
，并选定材料②计算L 临③比较确定圆筒类型L 与L 临，确定圆筒类型④根据圆筒类型计算P 临⑤计算许用应力[P]= P 临/3比较:设计压力P 与P 临若P ≤[P],且接近，假设的S 。
第七章 外压容器设计
第七章 外压容器设计第一节 外压容器设计【学习目标】 掌握外压容器稳定性概念，了解加强圈设置规定；掌握外压圆筒、封头、加强圈的设计计算；掌握外压容器压力试验规定。
一、外压容器的稳定性容器在正常操作时，凡壳体外部压力高于内部者，均称为外压容器，这类容器有两种：真空容器；两个压力腔的夹套容器。
但是对于薄壁容器，承受外压作用时，往往在强度条件能够满足、应力远低于材料屈服强度的情况下，容器有可能因为不能保持自己原有的形状而出现扁塌，这种现象称为结构丧失了稳定性，即失稳。
失稳是由于外压容器刚度不足而引起的，因此，保证容器有足够的稳定性（刚度）是外压容器能够正常工作的必要条件，也是外压容器设计中首先应该考虑的问题。
按圆筒的破坏情况，外压圆筒可分为长圆筒、短圆筒和刚性圆筒三类。
长圆筒刚性最差，最易失稳，失稳时呈现两个波形。
短圆筒刚性较好，失稳时呈现两个以上的波形。
刚性圆筒具有足够的稳定性，破坏时属于强度失效。
1、临界压力外压容器由原平衡状态失去稳定性而出现扁塌时对应的压力称之为临界压力（p cr ）。
影响临界压力的因素有：① 圆筒的几何尺寸δ/D （壁厚与直径的比值）、L /D （长度与直径的比值）是影响外压圆筒刚度的两个重要参数。
δ/D 的值越大，圆筒刚度越大，临界压力p cr 值也越大；L /D 的值越大，圆筒刚度越小，临界压力p cr 也越小。
② 材料的性能材料的弹性模量E 值和泊松比μ值对临界压力有直接影响，但是这两个值主要由材料的合金成分来决定，对已有材料而言无法改变，因此讨论弹性模量E 值和泊松比μ值的影响意义不大。
③ 圆筒的不圆度圆筒的不圆度会影响圆筒抵抗变形的能力，降低临界压力p cr ，因此在圆筒制造过程中要控制不圆度。
2、许用外压力与内压容器强度设计要取安全系数类似，外压容器刚度设计也要设定稳定系数，我国标准规定外压容器稳定系数m=3，故许用外压力[]3cr p p ≤。
二、外压圆筒的计算长度外压圆筒的计算长度对许用外压值影响很大。
第13章 外压容器设计
用圆筒的抗弯刚度
D EJ (1 2 )
代替式(13-1)中圆环的抗弯刚度EJ，即得长圆筒的临界 压力计算式
3D 3EJ pcr 3 2 3 R (1 ) R
将 J e3 12 代入式(13-2)，得
(13-2)
2E e 3 pcr ( ) 2 1 D
3. 筒体的椭圆度和材料的不均匀性
筒体的椭圆度定义为e=（Dmax-Dmin）， Dmax 、Dmin
分别为壳体的最大直径、最小直径。 筒体的 椭圆度大小和材料的不均匀性 影响临界压力 的大小。但必须注意的是：外压容器的失稳是外压容 器固有的力学行为，并非由于壳体不圆或材料不均匀
引起的。
GB150中对外压容器椭圆度的要求比内压容器要严格。
13.1.1 外压容器的失稳
外压容器指容器外面的压力大于内部的容器。 例如：石油分馏中的减压蒸馏塔，多效蒸发中的真空 冷凝器，带有蒸汽加热夹套的反应容器以及某些真空
输送设备等。
圆筒容器受外压时的应力计算方法与
受内压相类似。其环向应力值是
pD 2
若超过材料的屈服极限或强度极限时，也会引起强度 失效。但薄壁容器极少出现这种失效，往往是在壳壁的
压应力还远小于筒体材料的屈服极限时，筒体就已经被
压瘪或出现褶皱，突然间失去自身原来的几何形状而导 致容器失效。 外压容器的 失效形式有 两种：
1.发生压缩屈服破坏;
2.当外压达到一定的数值时，壳 体的径向挠度随压缩应力的增 加急剧增大，直至容器压扁.
这种在外压作用下壳体突然被压瘪
（即突然失去自身原来形状）的现象
式（13-4）仅适合于 cr
(13-5)
s ，即弹性失稳。
13.2.2 短圆筒的临界压力
外压容器的设计计算
外压容器的设计计算外压容器是一种常见的工业设备，广泛应用于石化、化工、制药、食品等领域。
外压容器的设计计算非常重要，涉及到容器的强度、安全性、可靠性等方面。
本文将从容器设计的基本原则、压力壳体的计算、配件的设计等方面进行详细阐述。
1.容器设计的基本原则1.1强度原则：容器必须经受住内外压力和外力的作用，保证容器不发生破裂或塑性变形。
1.2稳定原则：容器的结构必须具有足够的稳定性，能够抵抗倾覆、翻滚和滑动等不稳定力矩的作用。
1.3安全原则：容器在正常操作条件下，不得发生渗漏、爆炸等危险情况，以保证人员和设备的安全。
2.压力壳体的计算压力壳体是外压容器的主要承载结构，其计算涉及到壳体的应力、应变等参数。
2.1壳体厚度计算：压力壳体的厚度应满足材料强度和设计容器的内外压力的要求，一般采用均匀厚度计算，即在整个壳体上采用相同的厚度。
2.2应力计算：根据材料的弹性模量和壳体的几何形状，可以计算出壳体在压力作用下的轴向应力和周向应力。
2.3应变计算：根据壳体的轴向应力和周向应力，可以计算出壳体的轴向应变和周向应变，以评估壳体的变形和塑性变形情况。
3.配件的设计3.1头板设计：头板的设计一般可根据受力分析，选择合适的头板形式和厚度。
常见的头板形式有平头、半球头、扁头等，其选择应根据容器的使用条件和结构要求进行合理设计。
3.2法兰设计：法兰是连接容器和管道的关键部件，其设计应满足安装、密封和维修等要求。
法兰的种类和规格应根据容器的使用要求和管道系统的设计标准进行选择。
3.3补强环设计：补强环用于增强容器的稳定性和强度，可以有效抵抗容器的扭转、屈曲和翻滚等不稳定力矩的作用。
补强环的形式和数量应根据容器的几何形状和受力情况进行优化设计。
4.其他注意事项4.1材料选择：容器的材料选择应根据容器的使用环境和要求进行合理选择，考虑到材料的强度、耐腐蚀性和可焊性等因素。
4.2焊接技术：容器的焊接工艺应满足材料的性能要求和容器的设计要求，确保焊缝的质量和可靠性。
化工设备基础第11章外压容器设计基础
安全系数考虑周全
在设计中要考虑各种安全系数，以应对可 能出现的异常工况和事故情况，保证容器 在使用过程中的安全性。
结构设计合理
容器的结构应简单、紧凑，便于制造、安 装和维护。
强度计算准确
通过准确的强度计算，确定容器的壁厚、 直径等参数，以满足外压容器的承载能力 。
材料选择恰当
根据使用条件和工艺要求选择合适的材料 ，保证容器的耐腐蚀、耐高温、耐高压等 性能。
3D打印技术在外压容器设计中的应用 逐渐增多，通过快速原型制造，可以 实现复杂结构的设计和制造，降低制 造成本和时间。
新型防腐材料
针对化工行业的腐蚀环境，新型防腐 材料如陶瓷涂层、合金涂层等被应用 于外压容器表面，增强了容器的耐腐 蚀性。
外压容器设计的技术创新ຫໍສະໝຸດ 改进1 2 3优化设计方法
基于数值模拟和有限元分析等现代设计方法，对 外压容器进行更精确的结构分析和优化设计，提 高容器的稳定性。
详细描述
外压容器壁厚的计算是设计过程中的重要步骤，需要综合考虑容器承受的压力、材料的许用应力和容器的直径等 因素。常用的计算方法有压力面积法和应力面积法，通过这些方法可以计算出满足强度要求的壁厚。
外压容器稳定性的校核
总结词
通过稳定性校核，判断容器在承受外压时是否会发生屈曲变形。
详细描述
外压容器稳定性校核是确保容器安全的重要环节。通过稳定性校核，可以判断容器在承受外压时是否 会发生屈曲变形。校核过程中需要考虑容器的形状、尺寸、材料特性以及压力等因素，确保容器在正 常工作条件下保持稳定。
外压容器的重要性与应用领域
重要性
外压容器广泛应用于化工、石油、制 药、食品等领域，是工业生产中不可 或缺的重要设备之一。
应用领域
外压容器的设计计算
外压容器的设计计算哈尔滨市化工学校 徐 毅 李喜华 在外压容器设计时,筒体的壁厚计算按文献〔1〕和〔3〕应采用图算法。
图算法要先假设筒体的壁厚,通过查图表后计算使P≤〔P〕且较接近,则所设壁厚可用;否则应重新假设,直至满足为止。
为简化设计计算,本文将外压容器的解析法与图算法结合,使外压容器的壁厚的假设一次完成。
1 壁厚的计算按文献〔2〕外压容器壁厚的计算公式S≥D0(m pL2.6ED0)0.4+C(1)式中S———外压容器筒体的壁厚,mm;D0———外压容器的外径,mm;L———外压容器的计算长度, mm;C———壁厚附加量, mm;m———稳定系数, m=3;P———设计压力, MPa;E———材料在设计温度时的弹性模量, MPa;设壁厚为S,计算步骤如下:1.计算壁厚S0=S-C,算出所要设计筒体的L/D0和D0/S0值;2.按文献〔2〕在图6-10(文献〔2〕)的左侧纵坐标上找到L/D0值,由此点引水平线向右与相应D0/S0线相交。
若L/D0>50,则按L/D0=50查图,由交点沿铅垂方向向下求得横坐标系数A(即ε);3.根据筒体材料选用相应的材料温度线。
文献〔2〕中的图6-12、6-13、6-14,在图的下方横坐标找到由2求得的系数A,若A在材料温度线的右方,则由此点沿铅垂上移,与材料温度线相交,再将此点沿水平方向向右求得纵坐标系数B;4.按系数B用式〔P〕=BS0/D0〔2〕求得许用外压〔P〕;5.比较设计外压P与许用外压〔P〕,若P≤〔P〕,则所假设的壁厚可用。
6.根据钢板规格,最后确定所用钢板厚度。
2 计算实例设计氨合成塔的内筒,已知筒体外径D0= 410mm,计算长度L=4m,材料为oCr18Ni19Ti,弹性模量E=1.58×105MPa,壁温为480℃,壁厚附加量C=0.8m m,所受外压P=0.5MPa,试确定其壁厚。
由(1)式得: S≥D0(m pL2.6ED0)0.4+C=410 (3×0.5×4×1032.6×1.58×105×410)0.4+0.8=7.6mm假设壁厚S=7.6mm,计算S0=S-C=7.6-0.8 =6.8mm,L/D0=4/0.41=9.75D0/S0=410/6.8 =60.28按文献〔2〕在图6-10查得A=0.00032按文献〔2〕在图6-14查得B=34MPa 按文献〔2〕式〔P〕=BS0/D0=34×6.8/410 =0.57MPa比较P<〔P〕,即0.5MPa<0.57MPa,即假设壁厚可用。
第四章第4节外压容器设计2013
r
e
As L
（17）
As－每个加强圈的截面积； 考虑到稳定系数 m=3.0 和过载系数取为 1.1，
公式（16）可以表示为：
I
1.1LD02 r
12
A
D02 L 10.9
( e
As L
① 加强圈可采用扁钢、角钢、工字钢或其它型钢等 材料供应方便且型钢具有较大的截面惯性矩。 ② 加强圈可设置在容器的内部或外部，并应环绕容 器整个圆周。
③ 加强圈和壳体的连接必须足够紧密，以保证加强 圈和壳体一起承载，加强圈和壳体之间可采用连续 焊或间断焊。当加强圈设置在筒体外时，焊缝长度 不小于1/2周长，设置在筒内时，焊缝总长度不少 于1/3周长。
21
整个筒体和型钢制作的加强圈同时承担？ 筒体不承担，只有加强圈承担？
压力是由筒体的有效段与加强圈所组成的具有 组合截面的刚性环承担？ GB150 采用的第三种。
2024/5/13
Qingdao University of science and technology
22
（1）加强圈结构设计
必须按公式计算： B 2 EA 3
（4）按照公式[ p] B • e ，求出[P]；
Do
（5）比较 P 与[P]，应使[P]略大于 P，
否则必须再设 n ，重复上述步骤。
2024/5/13
Qingdao University of science and technology
13
2 封头的稳定性计算
7
② 计算图的绘制
绘制 ＝f 注意：
L, D
D S0
关系图
❖ 曲线图中的D用外径D0
❖ ❖
代横S0替坐以。标 o代替。Ecr 用字母A代替。
化工设备基础 第11章 外压容器设计基础
化工容器支座的稳定性
• 失稳破坏：“压弯了 腿”
外压容器失稳破坏
第一节 概述 外压容器：容器外部压力大于内部压力 石油、化工生产中外压操作， 例如： 石油分馏中的减压蒸馏塔、 多效蒸发中的真空冷凝器、 带有蒸汽加热夹套的反应釜 真空干燥、真空结晶设备等。 带夹套设备：夹套带正压，内层受外压
容器外压与受内压一样产生经向和环向应 力，也会发生强度破坏。然而这种情况很 少见。实践证明，外压圆筒筒内的压缩应 力经常是其数值还远远低于材料的屈服极 限时，筒壁就被压瘪或发生褶皱，在一瞬 间失去自身的形状。 这种在外压的作用下，突然发生的筒体 失去原形，即突然失去原来形状稳定性的 现象称为弹性失稳。保证壳体的稳定性是 外压容器能正常操作的必要条件。
de 1.1 Do d 1.5
2
cr 1.3
D
e o
L Do
• 临界应变（εcr）与 长径比（L/Do）， 厚径比（δe/Do）的 关系曲线图
de L A f( , ) Do Do
2).确定 cr ~ p关系
临界应变与许用外压关系
L Lcr
另外，圆筒的计算方法还与其相对厚度有关。当 厚度在 d e / Do 0.04 时，器壁应力达到屈服极限 以前不可能发生失稳现象，故在这种条件下，任 何长径比都可按刚性圆筒计算。
第三节 外压容器设计方法及要求
一、设计准则 设计时必须保证计算压力满足下式：
pcr pc [ p ] m
临界压力 pcr（Pa）
5000 3000 1500 3000
结论: 1).比较1和2 ，L/D相同时，δ/D大者pcr高，； 2). 比较3和2 ， δ /D相同时，L/D小者pcr高； 3). 比较3和4， δ /D,L/D相同时，有加强圈者pcr高.
外压容器设计练习及课后作业参考答案
1．外压容器除了强度外，还应考虑____问题。
请举两个不同类型外压容器的例子：失稳第十一章外压容器设计1________________________________、________________________________。
真空操作的冷凝器、结晶器、蒸馏塔的外壳带有加热或冷却夹套的反应器内壳2．怎样区分长圆筒和短圆筒？它们的的临界长度为_______________。
第十一章外压容器设计23．真空容器的设计压力：当装有安全控制装置时，取__________________，或_______两者中的较小值；无安全装置时，取_______。
带夹套的真空容器，则按1.25倍最大内外压力差0.1MPa 0.1MPa 第十一章外压容器设计3真空容器按外压容器计算，装有安全控制装置时，取1.25倍最大内外压力差或0.1MPa 两者中的较小值；无安全装置时，取0.1MPa 。
带夹套的容器应考虑可能出现最大压差的危险工况，例如当内筒容器突然泄压而夹套内仍有压力时所产生的最大压差。
带夹套的真空容器，按上述真空容器选取的设计外压力加上夹套内的设计内压力一起作为设计外压。
__________________________ 加上________________________________。
上述真空容器选取的设计外压力夹套内的设计内压力一起作为设计外压4．现需设计一个在常温下操作的夹套冷却容器，内筒为真空，无安全控制装置，夹套内为0.8MPa (表压)冷却水，则校核内筒稳定性时的设计压力应取（）01MP 08MP 09MP (D)10MP C 第十一章外压容器设计4真空容器按外压容器计算，装有安全控制装置时，取1.25倍最大内外压力差或0.1MPa 两者中的较小值；无安全装置时，取0.1MPa 。
带夹套的容器应考虑可能出现最大压差的危险工况，例如当内筒容器突然泄压而夹套内仍有压力时所产生的最大压差。
带夹套的真空容器，按上述真空容器选取的设计外压力加上夹套内的设计内压力一起作为设计外压。
压力容器设计-外压薄壁圆筒的稳定性计算
第一节 概述
失稳类型：
弹性失稳
t与D比很小的薄壁回转壳，失稳 时，器壁的压缩应力通常低于材 料的比例极限，称为弹性失稳。
当回转壳体厚度增大时，壳体中 的应力超过材料屈服点才发生失 （非弹性失稳） 稳，这种失稳称为弹塑性失稳或 非弹性失稳。
弹塑性失稳
第一节 概述
受外压形式：
p
p
p a
b
c
讨论：受周向均匀外压薄壁回转壳体的弹性失稳问题
1.5
第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算
Lcr 1.17Do
Do t
第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算
带加强圈的圆筒
2.59 Et 2 pcr Do LDo t
带加强圈的外压圆筒
第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算
受均布轴向压缩载荷 圆筒的临界应力
（a）
（b）
轴向压缩圆筒失稳的形状
（a）非对称形式；（b）对称形式
第一节 概述
外压圆筒的稳定条件
pcr p [ p] m
m—稳定性安全系数，圆筒m=3
影响外压圆筒临界压力的主要因素
（1）材料的E、μ （2）结构尺寸D、t、L （3）圆筒的形状偏差
第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算
第二节 外压薄壁圆筒的稳定性计算
目的
求 pcr、 cr、Lcr
理想圆柱壳小挠度理论
第一节 概述
二、稳定性问题的基本概念
临界压力（pcr）
—— 使 外 压 容 器 失 稳 的 最小外压力 临界压力是表征外压容 器抗失稳能力的重要参数
第一节 概述
薄壁圆筒受侧向均布外力作用，一旦达到临
界压力时，沿周向将形成几个波。
n=2
n=3
第14章 外压容器分析
18
(3)计算长度L
➢ 计算长度是指在外 压圆筒设计中用到 的筒体长度值，并 非筒体的实际长度。 它的定义为(如图所 示)：
19
1)当圆筒上焊有刚性构件时， 其计算长度系 指两个刚性构件之间的距离，封头、法兰、 加强圈等均可视作刚性构件。
材料的E
μ
临界压力就高
各种钢材的E和μ 相差不大，所以，选用高强度钢代 替一般碳钢制造外压容器并不能提高筒体的临界压力
（3）筒体的椭圆度和材料不均匀的影响
（4）载荷的不对称性也影响临界压力的大小
9
14.2 外压圆筒的稳定性计算
14.2.1长圆筒、短圆筒和刚性圆筒
（1）长圆筒：L/D较大，两端的边界影响可以忽
m D
n D0 3
mp 2.2 E
C
23
2)短圆筒
➢ 当筒体的L/D0和D0/δe的值较小时，筒体的刚性较 大，两端封头对中间部分的支承作用也较显著， 在失稳时将出现两个以上的波纹，常被称为短圆 筒。其计算公式为：
[ p] 2.59E e 2
mLD0
D0
e
MPa
n
D0
(
mpL 2.59 ED0
容器类型
设计压力p
外压容器 真空容器
取不小于实际工作中可能产生的最大内 外压力差。
当装有安全控制装置时，取1.25倍的最 大内外压力差或0.1MPa两者中的较小 值；
当无安全控制装置时，取0.1MPa；
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(2)试验压力pT
➢ 外压容器和真空容器均以内压进行压力试 验，其试验压力pT为： 1.25p(液压试验) pT = 1.15p(气压试验)
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设计计算步骤：对于
Do
e
≥10 的圆筒：
（1）假设 n ，令 e n C1 C2 ； （2）计算出 L
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临界应变与材料的E没有关系，仅是筒体几何尺 寸的函数； 建立的临界压应变与L/Do，Do/Se的函数关系， 是以于勃莱斯公式和拉默公式为基础的。因此， 只适用于仅存在周向应力、不存在轴向应力的 情况。 一旦建立了图形，则适用于不同的材料。 如果在弹性范围内，就可用公式（5）（6）， 计算，否则需要查图计算。
2
（1）
圆筒在临界压力的作用下，所产生的周向应力 长圆筒： cr （2 ）
e / Do 1.5 短圆筒： cr 1.3E （3） L Do
以上公式仅在临界应力小于 p 时才成立。
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② 计算图的绘制
注意： 曲线图中的D用外径D0 代替。 cr 横坐标 E 用字母A代替。 S0以 o 代替。
L D 绘制 ＝f , 关系图 D S0
D0
，
D0
e ；查ε ＝A。
（3）根据所用材料及设计温度查 B。 若 A 值落在材料温度线左方， B 值查不到， 必须按公式计算： B （4）按照公式 [ p] B
2 EA 3
，求出[P]；
e
Do
（5）比较 P 与[P]，应使[P]略大于 P， 否则必须再设 n ，重复上述步骤。
Do [ P]
e
2 E cr （10）此处 m 为 3 m Do [ P] B 2 cr ， 3
为了查图更加方便，令
e
把材料的 曲线改为 B—A 曲线， 根据 A 的值直接查得Ｂ，则有：
[ p] B
e
Do
（11）
弹性范围内采用 B
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2 EA 计算，结果更准确。 3
图3-1 外压或轴向受压圆筒和管 子几何参数计算图（用于 所有材料）
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钢制长圆筒，在 图上是垂直于横 坐标的直线部分。 钢制短圆筒：对 应不同参数，ε不 同。反映出米赛 斯或拉默公式的 适用范围，是一 条斜线。 本图与材料的E 值无关。钢材取μ ＝0.3，普遍使用。
计算临界长度，判断长、短圆筒，然后再进 行计算临界压力，与设计压力进行比较，是 一个非常复杂的试算过程。
弹性范围内。
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1 外压圆筒图算法原理
为了避免解析法设计的不足，各国均推荐
采用图算法。 图算法是工程设计中常用的方法，它适用 于弹性及弹塑性失稳设计。图解法是以勃 莱斯公式和拉默公式为基础的。
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将长圆筒转化为短圆筒，或者减少短圆筒的计
算长度，目的是提高临界压力，有效地减少壁 厚，提高稳定性； 设计主要是确定加强圈的间距、截面尺寸及结 构设计。 间距就是保证必须将其转换为短圆筒，注意增 加加强圈后的计算长度的计算；
为了避开E值，其在塑性状态下为变值。
为了解决非弹性失稳时临界应力的计算， 取E
，此处的 E 为广义弹性模量。
e Do
2
长圆筒： cr 1.1
（7）
e / Do 1.5 短圆筒： cr 1.3 L Do
（8）
图 6 材料的应力—应变曲线
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（1）临界压力计算
te 长圆筒公式： Pcr 2.2 E D 0
3
短圆筒公式： Pcr
L
Do 0.45 e / Do
2.5
2.59E e / Do
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图 9 每个加强圈所承受的载荷
图 10 角钢与筒体有效段则成的刚性较大的圆环
ห้องสมุดไป่ตู้
装有加强圈的筒体，受外压作用时，作用在加强 圈两侧各L/2 的外压力由何物承担？
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把加强圈视为一个受外压的圆环，其抗弯刚度 EIs。 其单位周长临界压力 qcr，则根据理论推导有：
但是我国钢制容器设计规定：m＝14.52， 又想使用 B—A 曲线，怎么办？可以采用 按照比例减少 A 的办法来实现减少查得的Ｂ值；
2 cr ，减少多少？ 所以要是查得的 B 14.52
2 e 2 令B R0 EA 则： [ p] EA ， e 3 3R0 [ p] 0.125 则根据公式(12)得出： A ， Ri e
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（3）外压锥形封头
1、对于60的外压锥形封头， 按承受外压的等效圆柱形筒体 计算。 2、>60的外压锥形封头按平 板封头计算。
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Pcr Do mPDo D L ① cr A ， ～f , o e Do 2E e 2E e
将其绘制如图，可以很方便地查出临界应变，即 A 的值。 A 曲线的由来。
第四节 外压容器的设计
主要内容：
外压圆筒图算法原理 外压封头的计算 真空容器加强圈的计算 例题
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关于外压容器临界压力计算
圆筒的类型； 不同类型圆筒的临界压力计算公式不同。
解析法求解需用应力，首先假设名义壁厚，
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图 11 用角钢作加强圈时的两种不同的安装方式
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（2）加强圈所需最小截面惯性矩的计算
2
2
cr
Pcr R0 0.605E e 2 e R0
cr 0.605
[ P]
e
R0
Pcr 2 2 2 = cr E e ，令 Bs cr E cr m ms ms ms R0
如果 M=3，则可以像圆筒一样计算；
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求解出临界应变后，可以通过材料的拉伸曲线求解临界应力。
（3）许用外压的确定，此为外压计算的目的。
工程实际中： ①长圆筒或者管子存在椭圆度，一般压力达到1/3~1/2临界压 力就会被压瘪； ②在操作时由于操作条件的破坏，壳体实际承受的压力会比计 算的压力大。
m值根据我国设计规定取为3.0。
Pcr P m
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②将材料的 曲线改为 因为： cr
2 ， 3
Pcr Do m[ P]Do 整理可得： 2 E e 2 E e
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图算法的基本步骤与外压筒体相似： （1）假设 n ，令 e n C1 C2 ； （2）计算 A 的值。 （3）根据材料及设计温度查 B。 若 A 值落在材料温度线左方，则 B 值必须按公式计算：
2.5 0.5
2.59E e / Do 常常写为： Pcr L Do
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（2）临界应力计算
cr
Pcr Do 2 e
e 1.1E D o
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