过程设备设计-外压容器的设计
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。
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（pcr）。
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pcr值也越大；L/D的值越大，圆筒刚度越小，临界压力pcr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pcr，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。
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。
从理论上说，计算长度的选取应是判断在该圆筒长度的两端能否保持足够的约束，使其真正能起支撑线的作用，从而在圆筒失稳时仍能保持圆形，不致被压塌。
过程设备设计计算题
计算题无力矩方程 应力试用无力矩理论的基本方程，求解圆柱壳中的应力（壳体承受气体内压p ，壳体中面半径为R ，壳体厚度为t ）。
若壳体材料由20R[σ(b)=400Mpa,σ(s)=245MPa]改为16MnR[σ(b)=510MPa,σ(s)=345MPa]时，圆柱壳中的应力如何变化为什么 短圆筒 临界压力1、 三个几何尺寸相同的承受周向外压的短圆筒，其材料分别为（MPa y 220=σ，3.0,1025=⨯=μMPa E ）、铝合金（3.0,107.0,1105=⨯==μσMPa E MPa y ）和铜（31.0,101.1,1005=⨯==μσMPa E MPa y ），试问哪一个圆筒的临界压力最大，为什么 临界压力 爆破压力有一圆筒，其内径为1000mm ，壁厚为10mm ，长度为20m ，材料为20R(3.0,102,245,4005=⨯===μσσMPa E MPa MPa y b )。
①在承受周向外压时，求其临界压力cr p 。
②在承受内压力时，求其爆破压力b p ，并比较其结果。
临界压力有一圆筒，其内径为1000mm ，壁厚为10mm ，长度为20m ，材料为20R(3.0,102,245,4005=⨯===μσσMPa E MPa MPa y b )。
①在承受周向外压时，求其临界压力cr p 。
②在承受内压力时，求其爆破压力b p ，并比较其结果。
无力矩理论 应力对一标准椭圆形封头（如图所示）进行应力测试。
该封头中面处的长轴D ＝1000mm,厚度t=10mm,测得E 点（x=0）处的周向应力为50MPa 。
此时，压力表A 指示数为1MPa ，压力表B 的指示数为2MPa ，试问哪一个压力表已失灵，为什么封头，厚度试推导薄壁半球形封头厚度计算公式无力矩理论 应力有一锥形底的圆筒形密闭容器，如图2－54所示，试用无力矩理论求出锥形壳中的 最大薄膜应力θσ与ϕσ的值及相应位置。
过程设备设计第三版课后答案及重点
过程设备设计题解1.压力容器导言习题1. 试应用无力矩理论的基本方程，求解圆柱壳中的应力（壳体承受气体内压p ，壳体中面半径为R ，壳体厚度为t ）。
若壳体材料由20R （MPa MPa s b 245,400==σσ）改为16MnR（MPa MPa s b 345,510==σσ）时，圆柱壳中的应力如何变化？为什么？解：○1求解圆柱壳中的应力 应力分量表示的微体和区域平衡方程式：δσσθφzp R R -=+21φσππφsin 220t r dr rp F k r z k=-=⎰圆筒壳体：R 1=∞，R 2=R ，p z =-p ，r k =R ，φ=π/2tpRpr tpR k 2sin 2===φδσσφθ○2壳体材料由20R 改为16MnR ，圆柱壳中的应力不变化。
因为无力矩理论是力学上的静定问题，其基本方程是平衡方程，而且仅通过求解平衡方程就能得到应力解，不受材料性能常数的影响，所以圆柱壳中的应力分布和大小不受材料变化的影响。
2. 对一标准椭圆形封头（如图所示）进行应力测试。
该封头中面处的长轴D=1000mm ，厚度t=10mm ，测得E 点（x=0）处的周向应力为50MPa 。
此时，压力表A 指示数为1MPa ，压力表B 的指示数为2MPa ，试问哪一个压力表已失灵，为什么？解：○1根据标准椭圆形封头的应力计算式计算E 的内压力： 标准椭圆形封头的长轴与短轴半径之比为2，即a/b=2，a=D/2=500mm 。
在x=0处的应力式为：MPa abt p btpa 15002501022222=⨯⨯⨯===θθσσ ○2从上面计算结果可见，容器内压力与压力表A 的一致，压力表B 已失灵。
3. 有一球罐（如图所示），其内径为20m （可视为中面直径），厚度为20mm 。
内贮有液氨，球罐上部尚有3m 的气态氨。
设气态氨的压力p=0.4MPa ，液氨密度为640kg/m 3，球罐沿平行圆A-A 支承，其对应中心角为120°，试确定该球壳中的薄膜应力。
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
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
外压容器的图算法(精)
[ p] 0.0833 E(
e
Ro
)
2
（5）比较：若[p]≥Pc，则以上假设的壁厚满足要 求，否则重新假设，重复以上步骤，直至[P]大于并接 近Pc为止。
【例题】
确定一外压圆筒的壁厚，如图所示。已 知：设计压力 p 0.2MPa ， Di 1800mm ，设 t 250 C ，取壁厚附加量C=2mm， 计温度 材料Q345R。取 pc p 0.2MPa
hi
hi / 3 L
L 10350
hi / 3 L
【例题】
解：（1）假设名义厚度
n 14mm
e n C 12mm
D0 Di 2 n 1800 2 14 1828 mm
L 10350 / 3 3450 mm
L / D0 3450/ 1828 1.9
p B
e
D0
若A值落在设计温度下材料线的左方，则直接用 下式计算许用外压力[p]，即
e 2 p EA 3 D0
n
一、外压圆筒的图算法
（5）比较：若[P]≥Pc，则以上假设的满足要求， 否则须重新假设名义厚度，重复上述步骤，直至[P] 大于并接近Pc为止。
二、外压封头的图算法
D0 / e 1828/ 12 152
【例题】
解： （2）由图1-134查得A=0.00035； （3）由图1-136可知A=0.00035，落在 250 C 线(插值)直线段,所以
1.86 1.69 E 10 5 1.775 10 5 MPa 2
【例题】
2 2 B EA 1.775 10 5 0.00035 41.42 MPa 3 3 (或从图中直接查取B值)
简述外压容器强度设计过程
简述外压容器强度设计过程
外压容器强度设计过程是指在外部压力作用下，设计和确定容器的强度以保证其安全运行的过程。
一般包括以下步骤：
1. 确定工作条件：首先要了解容器的使用环境和工作条件，如设计温度、设计压力、介质特性、外部环境温度等，这些条件将影响容器的材料选择和设计。
2. 材料选择：根据工作条件确定合适的材料。
选材时需要考虑材料的强度、耐腐蚀性、低温性能等因素。
3. 强度计算：根据容器的几何形状、工作条件和选用材料的特性，进行容器的强度计算。
常见的计算方法包括按照ASME规范进行的强度计算或者有限元分析等。
4. 壳体设计：根据强度计算的结果，设计容器的壳体结构。
包括确定壳体的壁厚、半径和长度等参数。
5. 端头设计：根据壳体的几何形状和工作条件，设计容器的端头结构。
常见的端头形式有平面盖、锥盖、球形盖等。
6. 连接件设计：容器的连接件，如支撑、法兰等，需要根据工作条件和强度要求进行设计。
连接件的设计应该保证与容器壳体的强度相匹配。
7. 强度校核：完成设计后，需要进行强度校核，以确保容器在工作条件下的强度安全。
校核可以包括理论计算、仿真分析和实验验证等方法。
8. 验证和监控：容器设计和制造完成后，需要进行验收验证和监控，确保容器满足设计要求，并按照相关标准和规范进行运行和维护。
需要注意的是，外压容器的强度设计过程需要遵循国家相关的法规、标准和规范，确保容器的安全性和可靠性。
在具体设计过程中，还需要根据实际情况考虑其他因素，如蠕变、疲劳、振动等的影响。
过程设备设计第4章习题
C.二次应力是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的正应力或切应力。 D.二次应力是局部结构不连续性和局部热应力的影响而叠加道一次应力之上的应力增量 4.8 交变载荷 以下载荷属于交变载荷的有： （ ） A.压力波动 B.开车停车 C.加热或冷却时温度变化引起的热应力变化 D.振动或容器接管引起的附加载荷 4.9 设计准则 下列有关压力容器设计准则的叙述，正确的有： （ ） A.弹性失效设计准则以容器整个危险面屈服作为实效状态。 B.弹塑性失效设计准则认为只要载荷变化范围达到安定载荷，容器就失效。 C.弹性失效设计准则较塑性失效设计准则更保守。 D.爆破失效设计准则认为压力达到全屈服压力时容器失效。 4.10 加强圈 为提高外压圆筒稳定性，需设置加强圈，下列有关加强圈的设计，正确的有： （ ） A.加强圈的最小间距应小于失稳临界长度。 B.在设计过程中，有可能通过增加加强圈的数量使圆筒厚度减薄。 C.加强圈与圆筒的连接可采用连续的或间断地焊接。 D.加强圈不可设置在筒体内部 4.11 封头 压力容器封头较多，下列叙述正确的有： （ ） A.凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头、球冠形封头和锥壳。 B.由筒体与封头连接处的不连续效应产生的应力增强影响以应力增强系数的形式引入厚度 计算式。 C.半球形封头受力均匀，因其形状高度对称，整体冲压简单。 D.椭圆形封头主要用于中、低压容器。 4.12 高压密封 下列属于提高高压密封性能的措施有： （ ） A.改善密封接触表面 B.改进垫片结构 C.采用焊接密封元件 D.增加预紧螺栓数量 4.13 安全阀 安全阀的优点包括： （） A.完全密封 B.多次使用 C.泄压反应快 D.只排出高于规定压力的部分压力 4.14 支座 在立式容器支座中，中小型直立容器常采用（ ）高大的塔设备则广泛采用（ ） ，大型卧式 储存采用（ ） A.耳式支座 B.裙式支座
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
过程设备设计基础--外压圆筒设计
（二）图算法
p cr
1
2E
2
( e )3
D0
pcr
2.59E ( e / D0 ) 2.5
(L / D0 )
长、短圆筒临界压力计算式均可归纳：
pcr
KE t ( e )3
D0
K为特征系数：K
L D0
,
e
D0
外压圆筒在临界压力下的周向应力为：
cr
pcr D0
2 e
1 KE t ( e ) 2
Se As/Ls
计算A值；（由B值通过查阅图读出A值或 A 1.E 5）B
计算加强圈与筒体有效段组合段所需的理论惯性矩I；
I D0 2LS(Se AS/LS) A 10.9
若满足Is≥ I，则所设计加强圈合格；否则重新设计加强圈，重复上述步骤。
加强圈与筒体有效段组合截面的实际惯性矩Is计算步骤
pcr m[ p]
外压容器的设计压力：不小于正常工作过程中可能出现的最大内 外压力差。
1）真空容器： a.有安全控制装置（真空泄放阀），取1.25倍最大内外压
差或0.1MPa中较小值； b.无安全控制装置，取0.1MPa。
2）带夹套容器：真空容器的设计压力再加上夹套设计压力作为 内筒容器设计压力。
3)临界压力与哪些因素有关？
a.失稳是固有性质，不是由于圆筒不圆或材料不均或其它原因所导致。 b.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。 c.临界压力的大小与筒体几何尺寸、材质及结构因素有关。
根据失稳情况将外压圆筒分为三类：
1)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，出现波数n=2的扁圆形。
❖若p＞[p]，需增大初设的δ n，重复上述计算，直至使[p]＞p且接近p为止。
化工设备设计基础-9
• •
•
圆筒的“长”和“短”是相对于直径来说的。长、 短圆筒以及刚性圆筒的临界压力是各不相同的， 有其各自的计算方法 e
临界压力与临界长度 P 2.2 E ( )
e
3 cr
1、圆筒临界压力的计算 • 长圆筒临界压力的计算 • 短圆筒临界压力的计算
Pcr 2.2 E (
Do
Pcr 2.6 E Do L Do
3、计算长度 • 圆筒的计算长度指筒体外部或内部两刚性构件之间的最 大距离，筒体外部焊接的角钢加强圈，筒体内部挡板或 塔盘均可视为刚性构件；在两个刚性构件中，其中一个 是凸型封头时， 取计算长度L=L’+h0+hi/3（hi为凸型封头凸面高度， h0凸型封头直边高度，L’为封头与最近刚性构件的距 离。） • 凸型封头刚性大对圆筒体有一定支撑作用，可以提高临 界压力。 • 在较薄板制造的筒体上焊接一定数量的加强圈，可使计 算长度L降低，提高临界压力。
• 长、短及刚性圆筒都是承受横向均匀外压力的 情况。因容器均有封头，所以除受横向外压力外， 同时还受有轴向压力，但轴向压缩对筒体失稳影 响很小，工程上仅按承受横向均匀外压计算临界 压力（室外高塔设计除外）。
2、 圆筒的临界长度 长短圆筒的区别：是否受端盖、加强圈等支撑的影响。 当δe /D相同时，短圆筒的临界压力较长圆筒大，随着 e ( ) D L 1.17 D 2.2 E ( ) 2.6 E Do 短圆筒长度的增加，端盖对筒体支撑作用减弱，当短圆 L D Do 筒的长度增大到某一值时，端盖对筒体的支撑作用完全 消失，这时短圆筒的临界压力与长圆筒临界压力相等， 该短圆筒的长度称为临界长度，用Lcr表示。 e 2.5 ( ) e Do
临界应力与临界应变
外压容器设计基础
03
企业建立的质量管理体系，对外压容器的设计、制造和检验进
行全面控制和管理。
04
外压容器设计案例分析
案例一：某化工厂外压容器设计
总结词
工艺要求高、压力波动大、安全性能重要
详细描述
某化工厂的外压容器设计需要考虑多种因素，如工艺流 程的特殊要求、压力波动的影响以及安全性能的保障。 设计时需要充分了解化工厂的具体工艺流程，确保容器 能够满足生产过程中的各种需求。同时，由于压力波动 较大，设计时要特别注意容器的强度和稳定性，以确保 在各种压力条件下都能安全运行。此外，由于化工厂的 特殊性，安全性能是外压容器设计的首要考虑因素，应 采用多重安全措施来确保容器的安全性能。
案例四：某水处理厂外压容器设计
总结词
承受高压、耐磨性、防腐蚀性能
详细描述
某水处理厂的外压容器设计需要考虑承受高压、耐磨性 和防腐蚀性能等因素。由于水处理过程中需要使用到各 种高压设备，因此外压容器必须具备足够的强度和稳定 性，能够承受高压和振动。此外，由于水处理厂的环境 较为恶劣，容器的材料应具备耐磨性和防腐蚀性能，以 延长容器的使用寿命。同时，为了提高水处理的效率和 质量，外压容器设计时应注重优化容器的结构和工艺流 程，采用先进的技术和设备，以满足水处理厂的生产需 求。
02
外压容器设计原理
容器结构设计
01
02
03
结构设计原则
外压容器结构设计应遵循 力学原理，确保容器在承 受外压时具有足够的稳定 性。
形状选择
根据容器的工作压力和用 途，选择合适的形状，如 圆筒形、球形、锥形等。
支撑结构
为提高容器的稳定性，应 合理设计支撑结构，如加 强圈、支腿等。
容器材料选择
材料性能
过程设备设计课后习题答案
过程设备设计（第二版）1.压力容器导言思考题1.压力容器主要由哪几部分组成?分别起什么作用?答：压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全附件六大部件组成。
筒体的作用：用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。
封头的作用：与筒体直接焊在一起，起到构成完整容器压力空间的作用。
密封装置的作用：保证承压容器不泄漏。
开孔接管的作用：满足工艺要求和检修需要。
支座的作用：支承并把压力容器固定在基础上。
安全附件的作用：保证压力容器的使用安全和测量、控制工作介质的参数，保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。
2.介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？答：介质毒性程度越高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。
如Q235-A或Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器制造时，碳素钢和低合金钢板应力逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A、B类焊接接头还应进行100%射线或超声检测，且液压试验合格后还得进行气密性试验。
而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。
毒性程度对法兰的选用影响也甚大，主要体现在法兰的公称压力等级上，如内部介质为中度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于1.0MPa；内部介质为高度或极度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于1.6MPa，且还应尽量选用带颈对焊法兰等。
易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求。
如Q235-A·F不得用于易燃介质容器；Q235-A不得用于制造液化石油气容器；易燃介质压力容器的所有焊缝（包括角焊缝）均应采用全焊透结构等。
3.《压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类？答：因为pV乘积值越大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。
石大远程奥鹏-化工过程设备设计-第三阶段在线作业正确答案
B、滑动式
C、固定或滑动均可
正确答案：B
7. 中低压容器常用的补强形式有
A、贴板补强
B、接管补强
C、整体补强
正确答案：A
8. 高压容器常用的补强形式有
A、贴板补强
B、接管补强
C、整体补强
正确答案：C
9. 塔设备的最大质量载荷出现在
A、水压试验时
B、操作时
C、检修时
正确答案：A
10. 内压操作的塔设备，最大组合轴向拉应力出现在
正确
错误
正确答案：正确
40. 直径为1错误00mm的吸收塔，封头与筒身采用法兰联接，该塔操作温度为285℃，设计压力为0.4MPa，材质为20。可选择公称压力为0.6MPa标准长颈法兰
正确
错误
正确答案：错误
中国石油大学（北京）
石大远程
化工过程设备设计-第三阶段在线作业
参考答案
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化工过程设备设计-第三阶段在线作业
1. 增大法兰盘的厚度或增大法兰盘外径则其刚度
A、增加
B、减小
C、不变
正确答案：A
2. 标准法兰公称压力的选取原则是使法兰在设计温度下所能承受的最高工作压力
钢制聚乙烯聚合釜，中径1580mm，计算长度7060mm，设计外压力0.1MPa，有效厚度 11mm， Et=1.84×105Mpa，此聚合釜的临界压力为
A、0.1MPa
B、0.43MPa
C、0.3MPa
正确答案：B
18. 分馏塔内径2000mm，塔的计算长度6333mm，塔在370℃及真空条件下操作，此塔材料为Q245R，c=1.8mm，Et=1.7×105MPa，分馏塔名义壁厚
C、等于设计压力
过程设备设计习题解答(Syni修改)
一、补充作业1：划定下列容器类别·压力容器分类方法:①先按照介质特性，选择相应的分类图，②再根据设计压力p(单位MPa)和容积V (单位m3)，标出坐标点，③确定容器类别。
第一组是易燃性质，容器类别是 II 类；第二组属于 III类；第三组高度毒性，属于 III类。
二、补充作业2：压力容器十大主要受压元件1.壳体；②封头（端盖）；③膨胀节；④设备法兰；⑤球罐球壳板；⑥换热器的管板；⑦换热管；⑧M36mm(含36mm)以上的设备主螺柱；⑨公称直径大于或等于250mm的接管；⑩公称直径大于或等于250mm的管法兰三、问答题：国外产品图纸可否采用我国的材料及GB150标准制造压力容器？答：不能，因为：1.安全系数n数值不一样，则应力许用值[σ]t不一样，计算壁厚不一样；2.钢材几何尺寸偏差不一样，国外小一些，负偏差小；3.钢材化学成分和机械性能不一样，国外严，国内松；4.制造、检验要求不一样，如，ASME水压试验P T＝1.5P[σ]/[σ]t，而我国水压试验P T＝1.25P[σ]/[σ]t第二章一、一壳体成为回转薄壳轴对称的条件是什么？⑴满足薄壳条件: (t / R)max≤0.1；⑵结构对称：结构的几何形状对称于回转轴；⑶载荷对称：壳体任一横截面上的载荷对称于回转轴，但是沿轴线方向的载荷可以按照任意规律化。
⑷边界对称：支承壳体的边界对称于轴线。
⑸材质对称：壳体的材料性质对称于轴线。
二、试分析标准椭圆形封头采用长短轴之比a / b=2的原因？原因是其应力的分布特点及加工工艺性：⑴应力绝对值从小到大为：a / b＜2 → a / b=2 → a / b＞2 ；⑵加工工艺性从易到难为：a / b＞2 → a / b=2 → a / b＜2 ；可以看到，标准椭圆形封头的应力分布及加工工艺性比其它的非标准椭圆形封头综合性好。
Rt两个参数的物理意三、何谓回转壳的不连续效应？不连续应力有哪些重要特性？其中β与义是什么？答：由于总体结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的应力增大现象，称为“不连续效应”或“边缘效应”。
化工设备第3章 外压容器设计
第三章外压容器设计第一节外压容器的稳定性一、外压容器的失效形式容器失去了正常的工作能力称为失效。
外压容器的失效一是强度不够，二是稳定性不足。
对于承受外压力的薄壁容器，往往是强度还远能满足要求时，由于稳定性不足突然失去原有的形状而被压成波形，这种现象称为容器的失稳。
圆筒形容器失稳后可出现两个以上的波数，如图3-1所示。
外压薄壁容器失稳是主要的失效形式。
图3-1 外压容器失稳后的形状二、外压容器的失稳过程及临界压力的概念直径为D的容器在外压力p1作用下，其半径减小为D1，外压力依次增加、容器直径依次减小，即p1＜p2＜p3…p n、D1＞D2＞D3…D n。
这时容器的直径虽然减小了，但其原有的圆筒形的形状没有改变，容器处于稳定平衡阶段；然而当外压力增加到p cr时，容器突然失去了原有的圆筒形形状，被压成了波形、即失稳了，p cr就称为容器的临界压力。
容器之所以失稳，是由于其实际承受的外压力超过了它本身所具有的临界压力。
所以说：临界压力是导致容器失稳的最小外压力，或保证容器不失稳的最大外压力。
失稳后容器所发生的变形是永久性的。
三、临界压力的计算临界压力是容器本身抵抗外压力的一种能力，它与容器的几何尺寸、所用的材质及制造质量等因素有关。
临界压力越大、容器抗外压力的能力越强，越不容易失稳。
受外压力的圆筒形容器，按其破坏形式可分为长圆筒、短圆筒和刚性圆筒，其临界压力各不相同。
1.长圆筒长圆筒有足够的长度，两端封头对筒体的支持作用很小，可忽略不计。
长圆筒最容易失稳，失稳后为两个波，其临界压力计算公式为：3)(2.2oecr D E p δ=（3-1）2.短圆筒短圆筒长度较小，两端封头对筒体的支持作用很明显。
短圆筒后大于两个波，其临界压力计算公式为为：oo e cr D L D Ep /)/(59.25.2δ=（3-2）应用式（3-1）、式（3-2）应满足两个条件：（1）临界应力 tSeo cr cr D p σδσ≤=2；（2）圆筒的圆度应符合GB150的规定。
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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
（1）半球形封头
(3)受外压的碟形封头
（4）受外压的锥壳
八、外压容器试验压力
1、外压容器和真空容器
2、夹套容器
例题：已知一减压塔的内径为2400 mm,筒体长度 23520 mm。其端盖为椭圆形，直边高度 40mm,长 短轴的比值Di/2hi=2,减压塔的真空度为 300 mmHg，设计温度150℃。塔体的材料为 Q235,塔 体壁厚取10mm,壁厚附加量C=2mm。试校核：
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析
ห้องสมุดไป่ตู้4、外压圆筒的设计
七、外压封头的设计
1.若不考虑用加强圈，塔的壁厚是否足够（用解析法）
2.若在筒体外部设置 9个加强圈，截面尺寸90x20 mm,材料Q235，此时塔的厚度及加强圈尺寸是否 合理（图算法）；
3.如端盖取与塔体相同壁厚是否合适。
补充题：
1有一减压塔，圆筒内径6400, 长15m, 两端为半球形封 头，尺寸如图示。操作温度为420℃，操作压力为 0.005MPa (绝对压力）。试计算：（1）不用加强圈 时所需筒体的壁厚；（2）每隔2米装设一个加强圈时， 所需筒体的壁厚；（3) 所需加强圈的尺寸；(4) 求球 形封头的壁厚。 （筒体的壁厚附加量C=4mm, 两端封头的壁厚附加量 C=5.5mm） 2 用Q235 钢制造一外压容器，已知外径D0=2024mm， 筒体的计算长度为2500mm，在室温下操作，最大压 力差为0.15MPa，试问有效厚度为12mm时操作是否 安全？（用解析法和图算法分别计算。）