外压圆筒设计

❖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＋1/3 端盖深度
➢对于法兰：L＝两法兰面之间的距离
➢对于加强圈：L＝加强圈外中压圆心筒设线计 之间的距离
(d)
L hi/3
L
(a)
hi/3
L
hi/3
hi
L
hi
(b)
(e) 外压圆筒设计
每一具体的外压圆筒结构，都客观 上对应着一个固有的临界压力值。
临界压力的大小与筒体几何尺寸、 材质及结构因素有关。
外压圆筒设计
根据失稳情况将外压圆筒分为三类：
✓长圆筒：刚性封头对筒体中部变形不起 有效支撑，最容易失稳压瘪，出现波纹 数n=2的扁圆形。
✓短圆筒：两端封头对筒体变形有约束作 用，失稳破坏波数n>2，出现三波、四 波等的曲形波。
外压圆筒设计
㈡ 轴向失稳
❖薄壁圆筒承受轴向 外压，当载荷达到 某一数值时，也会 丧失稳定性。
❖失稳，仍具有圆环 截面，但破坏了母 线的直线性，母线 产生了波形，即圆 筒发生了褶绉。
外压圆筒设计
㈢ 局部失稳
在支座或其他支承处以及 在安装运输中由于过大的局 部外压也可能引起局部失稳。
外压圆筒设计
三、临界压力计算
外压圆筒设计
㈢ 刚性筒 dd 2sptDipC2
刚性筒是强度破坏，计算时只 要满足强度要求即可，其强 度校核公式与内压圆筒相同。
外压圆筒设计
圆筒在外压作用下的屈服压力
Ps
2ss
de
D0
比较
pcr
2.59E(de /D0)2.5
(L/D0)
pcr
2E
1m2
(de )3
D0
• 对薄壁容器，圆筒外压失稳的压力远小于被压 屈服的压力，即稳定破坏先于强度破坏
• 圆筒强度上的承压能力与材料的屈服极限σs直 接相关，而圆筒稳定性上的承压能力与材料的
弹性模量E直接相关，所以用高强度钢板代替
低强度钢板制作外压圆筒不能有效地提高它的
抗失稳能力。
• 筒体的长度不能影响圆筒强度的高低，但却影 响圆筒的临界压力值外压。圆筒设计
㈣ 临界长度
➢实际外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可
L
hi/3
L
(c)
(f)
hi
四、外压圆筒的设计
㈠ 算法概述 外压圆筒计算常遇到两类问题：
✓一是已知圆筒的尺寸，求它的许用外
压 [p]；
✓另一是已给定工作外压，确定所需厚 度de。
外压圆筒设计
1．许用外压[p]
圆度，长圆筒或管子一般压力达到临界 压力值的 l／2～1／3时就可能会被压瘪。
大于计算压力的工况，不允许在外压力 等于或接近于临界压力下工作，必须有 一定的安全裕度，使许用压力比临界压 力小，即
✓刚性圆筒：304不锈钢板若筒体较短，筒
壁较厚，即L/D0较小，de/D0较大，容器
的刚性好，不会外因压圆失筒设计稳而破坏。
㈠ 长圆筒
长圆筒的临界压力计算公式：
pcr
2E
1m2
(de
D0
)3
式中 Pcr-临界压力， MPa；
de-筒体的有效厚度， mm；
D0-筒体的外直径， mm D0Di 2dn
临界压力：导致筒体失稳的外压力，Pcr
临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁 内的环向压缩应力，以scr表示。
➢外压低于Pcr，变形在压力卸除后能恢复
其原先形状，即发生弹性变形。
➢达到或高于Pcr时，产生的曲波形将是不
可能恢复的。
外压圆筒设计
临界压力与哪些因素有关？
失稳是固有性质，不是由于圆筒不 圆或是材料不均或其它原因所导致。
根据临界长度Lcr来判定。
➢当圆筒处于临界长度Lcr时，长圆筒公式 计算临界压力Pcr值和短圆筒公式计算临 界压力Pcr值应相等
2.2E 0(de)32.5E 9(de/D 0)2.5
D 0
外压圆筒设计
(L/D 0)
得：
Lcr 1.17D0
D0
de
❖当筒长度L≤Lcr时，Pcr按短圆筒
❖ 当筒长度L≥Lcr，Pcr按长圆筒
pcrBaidu Nhomakorabea
2.59E(de /D0)2.5
(L/D0)
✓ 短圆筒临界压力与相对厚度de/D0有关， 也随相对长度L/D0变化。 ✓ L/D0越大，封头的约束作用越小，临界
压力越低。
外压圆筒设计
L为筒体计算
长度，指两 相邻加强圈 的间距；
对与封头相连 接的那段筒 体而言，应 计入凸形封 头中的1/3的 凸面高度。
容器强度足够却突然失去了原有的形状， 筒壁被压瘪或发生褶绉，筒壁的圆环 截面一瞬间变成了曲波形。这种在外 压作用下，筒体突然失去原有形状的 现象称弹性失稳。
容器发生弹性失稳将使容器不能维持正 常操作，造成容外压器圆筒失设计 效。
失稳现象的实质：
外压失稳前，只有单纯的压缩应力， 在失稳时，产生了以弯曲应力为主 的附加应力。
pcr
2.59E(de /D0)2.5
(L/D0)
外压圆筒设计
临界压力计算公式使用范围：
临界压力计算公式在认为圆筒截面是规则 圆形及材料均匀的情况下得到的。
❖实际筒体都存在一定的圆度，不可能是 绝对圆的，实际筒体临界压力将低于计 算值。
❖但即使壳体形状很精确和材料很均匀， 当外压力达到一定数值时，也会失稳， 只不过是壳体的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。
Et-操作温度下圆筒材料的弹性模量， MPa
m-材料的泊桑比。
外压圆筒设计
❖分析：
pcr
2E
1m2
(de )3
D0
长圆筒的临界压力仅与圆筒的相
对 对厚 长度度dL/e/DD00无有关关。，而与圆筒的相
对于钢制圆筒，m=0.3，
则
d pc
r
2.20Et
外压圆筒设计
(e D0
)3
㈡ 短圆筒
短圆筒的临界压力计算公式为：
外压容器的失稳，实际上是容器筒 壁内的应力状态由单纯的压应力平 衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡。
外压圆筒设计
外压圆筒设计
长园筒
外压圆筒设计
外压圆筒设计
二、容器失稳形式
外压圆筒设计
㈠ 侧向失稳
❖由于均匀侧向外压引起失稳叫侧 向失稳。
❖壳体横断面由原来的圆形被压瘪 而呈现波形，其波形数可以等于 两个、三个、四个……。
[ p ] p cr m
[p]-许用外压； m外-压稳圆筒设定计 安全系数，m>1
外压圆筒设计
外压圆筒设计
一、外压容器失稳
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。
外压圆筒设计
失稳的概念：
容器外压与受内压一样产生径向和环向 应力，是压应力。也会发生强度破坏。