第四章外压容器
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压力容器设计外压圆筒的设计计算
1
本节重点
外压容器设计参数的规定； 设置加强圈的目的及结构要求 。
本 节 完
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谢谢大家！
由该式建立B与A的关系图
第三节 外压圆筒的设计计算
工程设计方法
外压圆筒 （Do／te）
薄壁圆筒（Do／te≥20）
失稳
Do／te＝20
厚壁圆筒（Do／te＜20）
失稳
强度失效
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
Do/te≥20薄壁筒体，稳定性校核：
c. 由材料选——厚度计算图（图4-12～图4-15）
（b）
A在材料线左方时， ，按(b)式计算许用外压[p]：
系 数 A
设计温度
根据
(a)
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
图算法求解过程
第三节 外压圆筒的设计计算
pc＞[p]——假设tn不合理 ——重设tn，直到满足
pc≤[p]且较接近—— 假设的名义厚度tn合理
容器外部：焊接的总长不小于 筒体外圆周长的1/2
3、加强圈的结构设计
工字钢
其它型钢
常用 型钢
扁钢
角钢
材料：多为碳素钢。 筒体为贵重金属，在筒体外部设置碳素钢加强圈， 节省贵重金属。
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
第四章 外压容器设计
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
特点：反复试算，比较繁琐。
图算法
解析法
外压圆筒设计
第三节 外压圆筒的设计计算
图算法原理：（标准规范采用）
03
为避开材料的弹性模量E（塑性状态为变量），采用应变表征失稳时的特征：
本节重点
外压容器设计参数的规定； 设置加强圈的目的及结构要求 。
本 节 完
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由该式建立B与A的关系图
第三节 外压圆筒的设计计算
工程设计方法
外压圆筒 （Do／te）
薄壁圆筒（Do／te≥20）
失稳
Do／te＝20
厚壁圆筒（Do／te＜20）
失稳
强度失效
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
Do/te≥20薄壁筒体，稳定性校核：
c. 由材料选——厚度计算图（图4-12～图4-15）
（b）
A在材料线左方时， ，按(b)式计算许用外压[p]：
系 数 A
设计温度
根据
(a)
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
图算法求解过程
第三节 外压圆筒的设计计算
pc＞[p]——假设tn不合理 ——重设tn，直到满足
pc≤[p]且较接近—— 假设的名义厚度tn合理
容器外部：焊接的总长不小于 筒体外圆周长的1/2
3、加强圈的结构设计
工字钢
其它型钢
常用 型钢
扁钢
角钢
材料：多为碳素钢。 筒体为贵重金属，在筒体外部设置碳素钢加强圈， 节省贵重金属。
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
第四章 外压容器设计
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
特点：反复试算，比较繁琐。
图算法
解析法
外压圆筒设计
第三节 外压圆筒的设计计算
图算法原理：（标准规范采用）
03
为避开材料的弹性模量E（塑性状态为变量），采用应变表征失稳时的特征：
第四章外压容器
刚性圆筒
Lc
r
短圆筒
Lc r 长圆筒
21
3)求解:
Lcr
和Lc
r
长圆筒临界压力公式
3
pcr
2.2E t
e
D0
pcr 2.59E t
e / D0
L / D0
2.5
Lcr 1.17Do
Do
e
22
短圆筒临界压力公式
pcr 2.59E t
e / D0
L / D0
2.5
Lcr
[
pw ]
L=10350
hi/3
hi/3
D0
hi
40
(2) 在图5－5的左方找出L／D0 ＝5.7的点，将其水平右移，与 D0 / δe ＝152的点交于一点，再将点下移，在图的下方得到系 数A＝0.00011；
41
0.00011 0.00015
0.0002
42
(3)在图5—9的下方找到系数A＝0.00011所对应的点，此点落在材
圆筒外部或内部两相邻刚性构件之间的最大距离
举例
2000 图5-5 外圆筒的计算长度
2000
18
推论：从短圆筒临界压力公式可得 相应的临界应力与临界应变公式
临界压力 临界应力 应变
pcr 2.59E t
e / D0
L / D0
2.5
c
r
pcr Do 1.3E t
2 e
e / D0
L / D0
2.2E t
e
D0
3
pcr与材料及 e / D0有关 与L / D0 无关
15
推论：从长圆筒临界压力公式可得 相应的临界应力与临界应变公式
第四节外压容器
第四节 外压容器
目录
1
外压容器的稳定性
2
外压薄壁容器参数确定
3
提高外压薄壁稳定性措 施
第一部分 外压容器的稳定性
一、外压容器的失效形式 ◆ 基本概念
●外压容器：容器外部压力大于内部压力。 外压容器： 失效：容器失去了正常的工作能力。 ●失效：容器失去了正常的工作能力。
◆ 外压容器的失效形式
外压容器的失效一是强度不够而破坏 二是刚 强度不够而破坏， ● 外压容器的失效一是 强度不够而破坏 ， 二是 刚 度不足而失稳。 度不足而失稳。 外压薄壁容器失稳是主要的失效形式。 外压薄壁容器失稳是主要的失效形式。
比较 若[p]≥pc,则以上假设的 δ n 满足要求 则以上假设的 满足要求, 否则重新假设另一较大的 δ n ，重复以上各步 直至满足要求为止。 、直至满足要求为止。
三、外压封头壁厚确定的图算法
受外压力的凸形封头（半球形、椭圆形、碟形）， 受外压力的凸形封头（半球形、椭圆形、碟形）， 利用图算法按如下步骤确定壁厚。 利用图算法按如下步骤确定壁厚。
◆
图算法的步骤
利用图算法设计不同类型的圆筒其过程也有所不同， 利用图算法设计不同类型的圆筒其过程也有所不同， ≥20的圆筒为例说明 现以Do/δe≥20的圆筒为例说明
确定、 等相关参数； ● 确定、pc、t、C、E、L、pT 、σ s 等相关参数； ● 假设圆筒的名义厚度 δ n，得 δ e = δ n − C
第二部分 外压薄壁容器壁厚确定
一、设计参数 ◆ 设计外压力
对真空容器当在容器上装有安全阀时， 对真空容器当在容器上装有安全阀时，设计外压力 1.25倍的最大外 内压力差与0.1MPa二者中的小值； 倍的最大外、 0.1MPa二者中的小值 取1.25倍的最大外、内压力差与0.1MPa二者中的小值； 当容器未装有安全阀时，设计外压力取0.1MPa 0.1MPa， 当容器未装有安全阀时，设计外压力取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 。 基础上考虑相应的液柱静压力，可得计算外压力
目录
1
外压容器的稳定性
2
外压薄壁容器参数确定
3
提高外压薄壁稳定性措 施
第一部分 外压容器的稳定性
一、外压容器的失效形式 ◆ 基本概念
●外压容器：容器外部压力大于内部压力。 外压容器： 失效：容器失去了正常的工作能力。 ●失效：容器失去了正常的工作能力。
◆ 外压容器的失效形式
外压容器的失效一是强度不够而破坏 二是刚 强度不够而破坏， ● 外压容器的失效一是 强度不够而破坏 ， 二是 刚 度不足而失稳。 度不足而失稳。 外压薄壁容器失稳是主要的失效形式。 外压薄壁容器失稳是主要的失效形式。
比较 若[p]≥pc,则以上假设的 δ n 满足要求 则以上假设的 满足要求, 否则重新假设另一较大的 δ n ，重复以上各步 直至满足要求为止。 、直至满足要求为止。
三、外压封头壁厚确定的图算法
受外压力的凸形封头（半球形、椭圆形、碟形）， 受外压力的凸形封头（半球形、椭圆形、碟形）， 利用图算法按如下步骤确定壁厚。 利用图算法按如下步骤确定壁厚。
◆
图算法的步骤
利用图算法设计不同类型的圆筒其过程也有所不同， 利用图算法设计不同类型的圆筒其过程也有所不同， ≥20的圆筒为例说明 现以Do/δe≥20的圆筒为例说明
确定、 等相关参数； ● 确定、pc、t、C、E、L、pT 、σ s 等相关参数； ● 假设圆筒的名义厚度 δ n，得 δ e = δ n − C
第二部分 外压薄壁容器壁厚确定
一、设计参数 ◆ 设计外压力
对真空容器当在容器上装有安全阀时， 对真空容器当在容器上装有安全阀时，设计外压力 1.25倍的最大外 内压力差与0.1MPa二者中的小值； 倍的最大外、 0.1MPa二者中的小值 取1.25倍的最大外、内压力差与0.1MPa二者中的小值； 当容器未装有安全阀时，设计外压力取0.1MPa 0.1MPa， 当容器未装有安全阀时，设计外压力取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 。 基础上考虑相应的液柱静压力，可得计算外压力
外压容器设计11
37
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：
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：
第4章外压容器(2)_化工设备
Do δ e
否则须重新假设名义厚度， 计算出的许用外压力应大于或等于 p ，否则须重新假设名义厚度，重复上述步 为止。 骤，直到 [p ]大于且接近 p 为止。
c
8
第4章 外压容器
4.2 外压圆筒与外压球壳的图算法
二、外压圆筒的图算法
2、外压圆筒的图算法 <20的圆筒和管子 承受外压时应同时考虑强度和稳定性问题。 的圆筒和管子( 同时考虑强度和稳定性问题 对D0/δe<20的圆筒和管子(承受外压时应同时考虑强度和稳定性问题。) 求取B值的计算步骤同Do/δe≥20的薄壁筒体； 求取B值的计算步骤同Do/δe≥20的薄壁筒体； Do/δe≥20的薄壁筒体 但对
，
1.3E δ e
σ
t s
Do / δ e
区别各类圆筒： 区别各类圆筒： 当圆筒的计算长度 为长圆筒； 当圆筒的计算长度 L≥ Lcr 时，为长圆筒； 当圆筒的计算长度 >L’ 为短圆筒； 当圆筒的计算长度 Lcr> L >L cr 时，为短圆筒； L’ 为刚性圆筒。 当L < L cr 时，为刚性圆筒。
Do δ e
<4的圆筒和管子，应按式下式(4-10)计算系数A值: <4的圆筒和管子，应按式下式(4-10)计算系数A 的圆筒和管子 (4 计算系数
A=
(Do δ e)2
1. 1
注意：系数A>0.1时 则取A 0.1； 注意：系数A>0.1时，则取A＝0.1； A>0.1 分别按以下两式计算 [ p ]1 和 [ p ]2 ，取两者中较小值为许用外压力 [ p ] 。
p cr = 2.59Eδ e2 L D o Do / δ e
3
失稳波 形数 2 大于2 大于 的整数
否则须重新假设名义厚度， 计算出的许用外压力应大于或等于 p ，否则须重新假设名义厚度，重复上述步 为止。 骤，直到 [p ]大于且接近 p 为止。
c
8
第4章 外压容器
4.2 外压圆筒与外压球壳的图算法
二、外压圆筒的图算法
2、外压圆筒的图算法 <20的圆筒和管子 承受外压时应同时考虑强度和稳定性问题。 的圆筒和管子( 同时考虑强度和稳定性问题 对D0/δe<20的圆筒和管子(承受外压时应同时考虑强度和稳定性问题。) 求取B值的计算步骤同Do/δe≥20的薄壁筒体； 求取B值的计算步骤同Do/δe≥20的薄壁筒体； Do/δe≥20的薄壁筒体 但对
，
1.3E δ e
σ
t s
Do / δ e
区别各类圆筒： 区别各类圆筒： 当圆筒的计算长度 为长圆筒； 当圆筒的计算长度 L≥ Lcr 时，为长圆筒； 当圆筒的计算长度 >L’ 为短圆筒； 当圆筒的计算长度 Lcr> L >L cr 时，为短圆筒； L’ 为刚性圆筒。 当L < L cr 时，为刚性圆筒。
Do δ e
<4的圆筒和管子，应按式下式(4-10)计算系数A值: <4的圆筒和管子，应按式下式(4-10)计算系数A 的圆筒和管子 (4 计算系数
A=
(Do δ e)2
1. 1
注意：系数A>0.1时 则取A 0.1； 注意：系数A>0.1时，则取A＝0.1； A>0.1 分别按以下两式计算 [ p ]1 和 [ p ]2 ，取两者中较小值为许用外压力 [ p ] 。
p cr = 2.59Eδ e2 L D o Do / δ e
3
失稳波 形数 2 大于2 大于 的整数
第四章第4节外压容器设计
9
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。
2021/4/13
第四章第4节外压容器设计
10
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。
公式（16）可以表示为：
I
1.1LD02 r
12
A
D02 L 10.9
( e
As L
)
A
（18）
2021/4/13
第四章第4节外压容器设计
30
由于引入了A，则可以根据B-A曲线求 取A，而B可以根据计算压力，圆筒外径 和预先假设的型钢尺寸求取。
B
PD0
e
As L
2021/4/13
第四章第4节外压容器设计
第四章第4节外压容器设计
17
（2）外压凸形封头
外压凸形封头的稳定性计算与球壳相同， 所考虑的仅是如何确定计算中涉及到的 球壳半径R。 ●碟形封头，仅球冠部分为压应力，因此 以球冠的内半径作为计算半径Ri； ●椭圆形封头，取当量计算半径Ri=KDi， 其中标准椭圆形封头为K=0.9。
2021/4/13
Pcr
2.59Ee / Do L Do
2.5
增加临界压力的途径主要有：提高 E 值、增加壁厚与降低 L 值。 ➢ 提高 E 值是指选择高质量的高 E 值材质，但钢材的 E 差别不大； ➢ 增加壁厚则增加了设备重量； ➢ 降低 L 才是比较经济的方法。降低 L 最好的办法是增设加强圈。 ➢ 当外压一定时，通过设置加强圈也可以达到减少筒体壁厚的目的。
（19）
《化工容器及设备》第4单元 外压容器解析
（1）真空操作容器或贮槽、减压精馏塔的外壳
（2）用于加热或冷却的夹套容器的内层壳体
第一节 外压容器的稳定性（续）
强度不足而发生压缩屈服失效
承受外压壳 体失效形式：
刚度不足而发生失稳破坏 （讨论重点）
外压容器薄膜应力计算方法与内压容器相同， 唯一不同点是应力的方向相反（弹性失效准则）， 承受内压时，圆筒薄膜应力为拉应力，承受外压 时，圆筒薄膜应力为压应力。
（1）壳体失稳的本质是几何非线性的问题 （2）经历成型、焊接、焊后热处理的实际圆筒， 存在各种初始缺陷，如几何形状偏差、材料性能 不均匀等 （3）受载不可能完全对称 小挠度线性分析会与实验结果不吻合。 工程中，在采用小挠度理论分析基础上，引进稳 定性安全系数 m ，限定外压壳体安全运行的载荷。
第一节 外压容器的稳定性（续）
第一节 外压容器的稳定性（续）
临界压力pcr
壳体失稳时所承受的相应压力。
研究表明，薄壁园柱壳受周向外压，当外压力达 到一个临界值时，开始产生径向挠曲，并迅速增加。 沿周向出现压扁或几个有规则的波纹。 波纹数n：与临界压力相对应，较少的波纹数相 应于较低的临界压力（对于给定外直径和壳壁厚度 的园柱壳）。
第一节 外压容器的稳定性（续）
影响波纹数n和临界压力pcr主要因素 与圆柱壳端部约束形式、约束之间距离和圆柱壳上两 个刚性元件之间距离L有关；
随着壳体材料t弹性模量、泊松比的增大而增加；
非弹性失稳的临界压力，还与材料的屈服点有关。
注意: 外压容器失稳的根本原因是由于壳体刚度不 足，并不是由于壳体存在椭圆度或材料不均匀所致。 即椭圆度和材料不均匀对失稳的性质无影响，只影 响使pcr↓。
第一节 外压容器的稳定性（续）
失效形式：
外压容器设计
4
外压容器的稳定性
——外压容器的失稳形式
◆ 容器失稳形式
● 侧向失稳
由于均匀侧向外压引起失稳叫侧向失稳。
第四章 外压容器设计
5
外压容器的稳定性
——外压容器的失稳形式
● 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。
第四章 外压容器设计
12
外压容器的稳定性
——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
按失稳情形式将外压圆筒分为三类：
长圆筒、短圆筒、刚性圆筒
第四章 外压容器设计
7
外压容器的稳定性
——外压圆筒类型的判定
＊ 区分短圆筒和刚性圆筒的临界长度Lˊcr◆ 计算长度确定来自L'cr
1.3E e
t s
Do e
● 计算长度
计算长度是指圆筒上相邻两刚性构件（如封头、加强 圈等）的距离。
对具有凸形封头无加强圈的圆筒其计算长度L=圆筒长度
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…
第四章 外压容器设计
13
外压容器的稳定性
——外压容器的设计参数
1、设计压力和液压试验压力 试验压力PT： 不带夹套的外压容器，按内压试验；
PTma 1x.25 Pt， MPa
P0.1， MPa
第四章外压容器设计
长圆筒临界压力：
当圆筒的长度与直径之比较小，失稳波数大于2时，称为短圆筒。 短圆筒临界压力： Do为圆筒外径
第四章 外压容器设计
12
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 (一) 圆环的临界载荷
当圆筒的长度与直径之比较大时，其中间部分将不受两端封头或 加强圈的支持作用，弹性失稳时横截面形成n＝2的波数，这种圆 筒称为长圆筒。 长圆筒的临界压力与长度无关，仅与圆筒壁厚与直径的比值有关 当圆筒的相对长度较小，两 端的约束作用不能忽视，临 界压力不仅和壁厚与直径之 比有关，而且和长度与直径 之比有关，失稳的波数n大 于2，称为短圆筒。
大于J 则满足要求，否则重新选择
加强圈尺寸，重复上述计算，直至 满足为止。如查图时无交点，则A
按A＝3B/2E计算。
第四章 外压容器设计
加强圈和壳体所需 的组合惯性矩
34
YULIN UNIVERSITY
第四章 外压容器设计
35
一、图算法的原理
设
第四章 外压容器设计
26
第三节
外压圆筒的设计计算
一、图算法的原理
第四章 外压容器设计
27
第三节
外压圆筒的设计计算
二、图算法的计算步骤
第四章 外压容器设计
28
第三节
外压圆筒的设计计算
二、图算法的计算步骤
第四章 外压容器设计
29
第三节
外压圆筒的设计计算
三、有关设计参数的规定
(一)设计压力和压力试验压力
设计压力的定义与内压容器相同，但其取法不同。外压容器的设 计压力应取在正常工作过程中可能产生的最大内外压力差；真空容器
按外压容器计算，
当圆筒的长度与直径之比较小，失稳波数大于2时，称为短圆筒。 短圆筒临界压力： Do为圆筒外径
第四章 外压容器设计
12
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 (一) 圆环的临界载荷
当圆筒的长度与直径之比较大时，其中间部分将不受两端封头或 加强圈的支持作用，弹性失稳时横截面形成n＝2的波数，这种圆 筒称为长圆筒。 长圆筒的临界压力与长度无关，仅与圆筒壁厚与直径的比值有关 当圆筒的相对长度较小，两 端的约束作用不能忽视，临 界压力不仅和壁厚与直径之 比有关，而且和长度与直径 之比有关，失稳的波数n大 于2，称为短圆筒。
大于J 则满足要求，否则重新选择
加强圈尺寸，重复上述计算，直至 满足为止。如查图时无交点，则A
按A＝3B/2E计算。
第四章 外压容器设计
加强圈和壳体所需 的组合惯性矩
34
YULIN UNIVERSITY
第四章 外压容器设计
35
一、图算法的原理
设
第四章 外压容器设计
26
第三节
外压圆筒的设计计算
一、图算法的原理
第四章 外压容器设计
27
第三节
外压圆筒的设计计算
二、图算法的计算步骤
第四章 外压容器设计
28
第三节
外压圆筒的设计计算
二、图算法的计算步骤
第四章 外压容器设计
29
第三节
外压圆筒的设计计算
三、有关设计参数的规定
(一)设计压力和压力试验压力
设计压力的定义与内压容器相同，但其取法不同。外压容器的设 计压力应取在正常工作过程中可能产生的最大内外压力差；真空容器
按外压容器计算，
第4章 外压容器
故区别长、短圆筒的临界长度为
第4章 外压容器
4.2 外压容器的稳定性校核
4.2.1 公式法 4.2.1.2 外压薄壁圆筒的类型
（2） 计算长度
外压容器的计算长度L是指圆筒上两相邻刚性构件支撑线间的最大距离。
第4章 外压容器
4.2 外压容器的稳定性校核
4.2.1 公式法 4.2.1.2 外压薄壁圆筒的类型
第4章 外压容器
4.1 外压容器的稳定性
4.1.3 影响临界压力的主要因素
1
临界压力与外压圆筒的尺寸、结构有关
2
临界压力与圆筒材料的性能有关
3
临界压力与圆筒壳体的圆度有关
第4章 外压容器
4.1 外压容器的稳定性
4.1.3 影响临界压力的主要因素 在制造外压圆筒时，应按图4-3以纵、横坐标的交点，查得圆度公式，计算 限制圆筒壳体的圆度。
第4章 外压容器
4.4 外压容器的封头
4.4.3 压力试验 外压容器和真空容器也需要做压力试验，以检查容器的强度和焊缝、密封元件 的质量和密封性。其压力试验按内压容器进行（参见第三章第三节压力试验）。
（2） 计算长度
续表
第4章 外压容器
4.2 外压容器的稳定性校核
4.2.1 公式法 4.2.1.2 外压薄壁圆筒的类型
（3） 公式法进行外压薄壁圆筒稳定性 校核步骤
① 选定材料，确定pc、t、c、E、σts、L；
② 假定圆筒的名义厚度δ n（一般按内压薄壁圆筒强度计算结果δ n进行估算），得 δ e=δ n-c； ③ 计算临界长度LCr、L′ Cr并与计算长度L比较，确定圆筒类3 加强圈的结构与设置
4.3.1 加强圈的作用和结构 加强圈可以设置在圆筒内侧或外侧，是具有足够刚性围绕在筒体周围的环状构 件。目前，加强圈通常采用型钢，如扁钢、角钢、槽钢或工字钢制成，其常用结构 如图4-10所示。
化工设备基础08
2、内压薄壁球壳的强度条件与壁厚计算
同理可得强度条件：
pc Di t t 4
计算壁厚：
pc Di t 4 pc
3、容器厚度的概念
⑴计算厚度δ 根据介质的腐蚀性及容 器的设计寿命确定 指按各强度公式计算得到的厚度 ⑵设计厚度δd 指计算厚度与腐蚀裕量C2之和，即δd =δ+ C2 ⑶名义厚度δn 根据设计厚度加上钢材厚度负偏差C1后，向上圆整至钢材 标准规格的厚度。常用钢板厚度（mm）为：3、4、5、6、 8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、30等。此值 应标注在设计图样上。 ⑷有效厚度δe 指名义厚度减去钢材厚度负偏差和腐蚀裕量，即 δe=δn-（C1 + C2）=δn-C 式中C=C1+C2称为厚度附加量。
指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度。
3、许用应力：表4-3
元件金属截面 温度的平均值
4、焊接接头系数：表4-4
5、厚度附加量：表4-5，4-6
常见的焊接形式：
①缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等， 在外观看不出来； ②熔池内金属从熔化到凝固的过程受到 熔池外金属的刚性约束，内应力很大。 ——焊缝区强度比较薄弱。
A
4
D2
所以，作用于封头的内压p产生的合力P为
P pA p
4
D
2
P使左面部分有向左移动之趋势，为了保持原来的平衡，被 移去的右面部分必给左面部分以作用力，即在筒体器壁的横 截面内产生轴向应力。根据轴向平衡条件 Pz 0 有：
zD p
整理后得：
pD z 4
1、水压试验装臵及过程
将水注满容器后，再用泵逐步增压到试验压力，检验容器的强度 和致密性。┃试验时将装设在容器最高处的排气阀打开，灌水将气排 尽后关闭。 ┃开动试压泵使水压缓慢上升，达到规定的实验压力后， 关闭直通阀保持30min，在此期间容器上的压力表读数应该保持不变。 然后将之工作压力并保持足够长时间，对所有焊缝和联接部位进行检 查。 ┃在试验过程中，应保持容器观察表面的干燥，如发现焊缝有水 滴出现，表明焊缝有泄漏（压力表读数下降），应作标记，卸压后修 补，修好后重新试验直到合格为止。
《化工容器及设备》第4单元 外压容器
（1）壳体失稳的本质是几何非线性的问题 （2）经历成型、焊接、焊后热处理的实际圆筒， 存在各种初始缺陷，如几何形状偏差、材料性能 不均匀等 （3）受载不可能完全对称 小挠度线性分析会与实验结果不吻合。 工程中，在采用小挠度理论分析基础上，引进稳 定性安全系数 m ，限定外压壳体安全运行的载荷。
第一节 外压容器的稳定性（续）
弹塑性失稳 （非弹性失稳）
第一节 外压容器的稳定性（续）
弹性失稳：
对于壁厚t与直径D比很小的簿壁回转壳，失 稳时，器壁的压缩应力通常低于材料的比例极限， 这种失稳称为弹性失稳；
非弹性失稳（弹塑性失稳）：
当间转壳体厚度增大时，壳壁中的压缩应力， 超过材料的屈服点才发生失稳，这种失稳称为非弹 性失稳或弹塑性失稳。 非弹性失稳的机理和理论分析远较弹性失稳 复杂，工程上一般采用简化计算方法。
e
第一节 外压容器的稳定性（续）
短圆筒与刚性圆筒临界长度
2 . 59 E e pcr ' Lcr D0 D0
短圆筒
' cr
2
e
2 e D0
t S
刚性圆筒
1 . 3 E e L t D0
S
e
第一节 外压容器的稳定性（续）
圆筒类型的判据
长圆筒
短圆筒
L Lcr
用高强度钢代替低强度钢，只能提高圆筒的强 度，而不能提高其抗失稳能力 （3）对于薄壁圆筒，使长圆筒失稳的压力（Pcr ）远远小于使长圆筒屈服的压力（ PS ），即失稳 破坏限于强度破坏。
第一节 外压容器的稳定性（续）
其他回转壳体的临界压力
1. 半球壳
经典公式：
t 2 E pcr 2 31 R
圆筒中的压缩应力增加
第4章外压容器(1)_化工设备
7
第4章 外压容器
4.1 外压容器的稳定性
三、临界长度与计算长度
1、临界长度 相同直径和壁厚的情况下，短圆筒的临界压力高于长圆筒的临界压力。 相同直径和壁厚的情况下，短圆筒的临界压力高于长圆筒的临界压力。随 的情况下 高于长圆筒的临界压力 着短圆筒长度的增加 封头对筒ห้องสมุดไป่ตู้的支撑作用渐渐减弱 临界压力也随之减小 增加， 渐渐减弱， 减小。 着短圆筒长度的增加，封头对筒壁的支撑作用渐渐减弱，临界压力也随之减小。 短圆筒的临界压力下降到与长圆筒的临界压力相等，即令（式4-4）=（式4-3） 短圆筒的临界压力下降到与长圆筒的临界压力相等，即令（
2
第4章 外压容器
4.1 外压容器的稳定性
一、外压容器的失稳
外压容器。 失稳：容器器壁的外压力大于器壁内部压力的容器，均称为外压容器 失稳：容器器壁的外压力大于器壁内部压力的容器，均称为外压容器。 工程上受外压的薄壁圆筒容器，通常在强度足够的情况下， 薄壁圆筒容器 工程上受外压的薄壁圆筒容器，通常在强度足够的情况下，即圆筒的工 作应力远低于材料的屈服极限时，圆筒就将突然失去原有形状，出现压瘪现 作应力远低于材料的屈服极限时，圆筒就将突然失去原有形状， 象，如图4-1所示。 所示。 分析： 分析：外压容器失稳的实质是筒壁内的应力状态由单纯的压应力跃变到 主要受弯曲应力，是容器从一种平衡状态向另一种状态的突变。 主要受弯曲应力，是容器从一种平衡状态向另一种状态的突变。 一种平衡状态 的突变 当筒壁所承受的外压未达到某一临界值之前， 当筒壁所承受的外压未达到某一临界值之前，在压应力作用下筒壁处于一 种稳定的平衡状态。这时增加外压并不引起筒体形状及应力状态的改变， 种稳定的平衡状态。这时增加外压并不引起筒体形状及应力状态的改变，在这 一阶段的圆筒仍处于相对静止的平衡状态。但是当外压增大到某一临界值时， 一阶段的圆筒仍处于相对静止的平衡状态。但是当外压增大到某一临界值时， 筒体形状及筒壁内的应力状态发生了突变，原来的平衡遭到破坏， 筒体形状及筒壁内的应力状态发生了突变，原来的平衡遭到破坏，圆形的筒体 横截面即出现曲波形， 横截面即出现曲波形，即“失稳”现象发生。 失稳”现象发生。
压力容器设计外压圆筒的设计计算
本节重点
❖ （1）外压容器设计参数的规定； ❖ （2）设置加强圈的目的及结构要求 。
cr
由该式建立B与A的关系图
＃以A和B为坐标轴的厚度计算图，以σ－ε为基础，图4-
12～图4-15为几种常用钢材的厚度计算图。温度不同，
曲线不同；
＃直线部分表示材料处于弹性，属于弹性失稳， B与A成
正比，由A查B时，若与曲线不相交，则属于弹性失稳，
可由
B 2 EA ，求取B。 3
B [ p]Do t
加强圈的间距
加强圈设计
截面尺寸 结构设计
第三节 外压圆筒的设计计算
1、加强圈的间距 设置加强圈，必须使其属于短圆筒才有实际作用。 加强圈数量增多，Lmax值减小，筒体厚度减薄；反 之，筒体厚度须增加。
2、加强圈截面尺寸的确定 目 的： 增强筒壁截面的抗弯曲能力
方法思路： 通过增加截面惯性矩 J 来提高筒壁截面的抗 弯曲能力，满足 Js大于并接近J
加强圈两侧的间断焊缝可错开或并排，但焊缝之间 的最大间隙对外加强圈为8δn，对内加强圈12δn（δn为 筒体的名义厚度）。
3、加强圈的结构设计（续）
第三节 外压圆筒的设计计算
要求：
# 加强圈应整圈围绕在筒体的圆周上，不许任意 削弱或割断。
# 设置在内部的加强圈，若开设排液孔、排气孔， 削弱或割断的弧长不得大于图4-18所给定的值。
)max
无安全装置时：p=0.1Mpa
四、设计参数 的规定
2、带夹套的真空容器 p取真空容器的设计压力加上夹套压力
3、其它外压容器（包括带夹套的外压容器）
p应不小于容器正常工作过程中可能出现的最大内
外压力差
即：p≥(po-pi)max
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二、图解法
（二）厚度的确定步骤 2、当Do/δe ＜20时 ①计算A； ②按当Do/δe ≥20的方法确定 B； ③计算许用外压力； ④比较，须满足[P] ＞ Pc 。
第三节 加强圈的结构与设置
一、加强圈的作用和结构 二、加强圈焊接的布置形式和要求 三、加强圈的间距
一、加强圈的作用和结构
1、加强圈的作用： ①、可提高临界压力，增加外压容器的 稳定性； ②、减少贵重金属材料的消耗量，降低 成本； 2、结构： 加强圈设置在圆筒内侧或外侧，具有足 够刚性，围绕在筒体上的环状构件。
当α＞60°时，按平盖计算，直径取 最大内直径Di 。
三、压力试验
外压容器和真空容器也要进行 压力试验，以检查容器的强度 和焊缝、密封元件的质量和密 封性。 试验方法按内压容器进行。
1、 2、 3、 3、 5、 6、 7、 8、
习题
化工设备
(第二版)
哈密职业技术学校
李俊华
第四章 外压容器
知识目标 了解外压容器稳定性及临界压力的概念。 学习外压薄壁圆筒、球壳及外压封头的稳 定性校核方法。 了解加强圈的作用结构。
第四章 外压容器
能力目标 掌握外压容器稳定性的概念和提高容 器刚性的方法
第四章 外压容器
第一节 外压容器的稳定性 第二节 外压容器的稳定性校核 第三节 加强圈的结构与设置 第四节 外压容器封头
二、外压容器的临界压力
1、临界压力：导致外压容器发生失稳 的最低外压力pcr表示。 2、稳定条件：计算外压力pc不大于临 界压力的1/m。即
pc≤ [p]= pcr /m
三、 影响临界压力的主要因素
1、临界压力与外压圆筒的尺寸、结构有关 ①有效厚度。δe/Do值越大，临界压力越大。 ②封头。封头间距越小，临界压力越大。 ③加强圈。设置加强圈，临界压力增大。 2、临界压力与筒体材料有关 ①筒体材料的均匀性。不均匀临界压力降低。 ②弹性模量E。E越大临界压力越大。 3、临界压力与圆筒的圆度e有关 ①圆度e 。e越大，临界压力降低。
第一节 外压容器的稳定性
一、外压容器的失效 二、外压容器的临界压力 三、 影响临器：指容器外部压力大于容器内部压力 的设备。 外压容器的失稳：外压薄壁容器在承受外压时， 器壁上的压应力还远远低于材料的屈服极限时， 壳体就失去了自身原有的形状而被压瘪或出现 褶皱，产生永久变形，致使容器失去稳定性， 这种现象称~。 失效的形式：一是刚度不够引起的失稳（主 要）；二是强度不够造成的破裂。 临界压力：使壳体的形状和应力状态发生突变， 产生永久变形的压力临界值，即外压卸除后壳 体不能恢复原来的形状。
一、公式法
（三）公式法稳定性校核步骤 已知外压薄壁圆筒的计算外压力、内直径、 操作温度、计算长度，校核步骤为： ①选定材料 ，确定pc、t、c、E、σts、L ； ②假定圆筒的名义厚度，计算有效厚度； ③计算临界长度 LCr、L’Cr，确定圆筒类型； ④计算许用外压力及临界压力； ⑤应力校核比较，满足要求为止。
Ls＜Lmax
第四节 外压容器封头
一、凸形封头 二、外压锥形封头与外压锥形壳体 三、压力试验
一、凸形封头
常用封头： 半球形封头、椭圆形封头、碟形 封头、无折边球形封头、锥形封 头、平封头等。 凸形封头： 半球形封头、椭圆形封头、碟形 封头。
一、凸形封头
1、外压球形封头与外压球壳 内半径为Ri，计算外压力为Pc，厚度附 加量为C的容器，壁厚确定步骤： ①假定名义厚度δn，Ro= Ri + δn ； ②计算系数A； ③查图得系数B； ④计算许用外压力[P]； ⑤比较，须满足[P] ＞ Pc 。
二、图解法
（一）算图中的符号 A——系数 B——系数 Di——圆筒内直径 Do——圆筒外直径 L——圆筒计算长度 E——设计温度下材料的弹性模量 δe ——圆筒有效厚度 δn ——圆筒名义厚度
二、图解法
（二）厚度的确定步骤 1、当Do/δe ≥20时 ①计算L/Do 和 Do/δe ； ②查图得到A； ③查图得到B； ④计算许用外压力； ⑤比较，须满足[P] ＞ Pc
二、加强圈焊接的布置形式 和要求
1、焊接的布置形式 采用连续焊或间断焊。 2、要求 ①必须保证加强圈与筒体的紧密结合； ②设置在外侧，每条焊缝间断焊的总长度 不得小于筒体外周长的1/2； ③设置在内侧，每条焊缝间断焊的总长度 不得小于筒体内周长的1/3； ④加强圈不得随意间断或削弱； ⑤两边焊缝可以相互错开或并排。
一、凸形封头
2、外压椭圆形封头与碟形封头 稳定性计算与外压球形封头类似， 只是Ro含义不同。 蝶形封头—Ro为球面部分外半径 椭圆形封头—Ro=KiDo
二、外压锥形封头与外压锥形 壳体
稳定性校核：
工程上实验结果，锥壳的失稳类似于 等效圆筒的失稳。
当α≤60°时，采用当量法进行稳定 性计算，直径取大端外直径Do，长度 取当量长度Le；
第二节 外压容器的稳定性校核
一、公式法 二、图解法
一、公式法
（一）临界压力的计算 1、长圆筒
Pcr= 2、短圆筒
Pcr= 3、刚性圆筒
Pcr=
一、公式法
（二）外压薄壁圆筒的类型 1、临界长度 区别长圆筒、短圆筒的临界长度LCr； 区别短圆筒、刚性圆筒的临界长度L’Cr 。 ①长圆筒 LCr ≤L ； ②短圆筒 L≤L’Cr ； ③刚性圆筒 LCr＜L＜L’Cr 2、计算长度L 指圆筒上两相邻刚性构件支撑线间的最 大距离。
三、加强圈的间距
设置加强圈应考虑的问题： 1、适当个数的加强圈可提高承载能力， 减少钢板用量； 2、过多加强圈会造成材料浪费和制造成 本增加； 3、加强圈的个数应使计算长度限制在短 圆筒范围内。
三、加强圈的间距
合适个数及间距： 目前，工程上用经验法确定加强圈的个数。 加强圈最大实际间距Ls要小于最大间距 Lmax。即