第四章 外压圆筒与封头的设计1[1]

❖ 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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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。
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
❖ 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
5.2.5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
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
5.1.1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
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
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。
筒是长圆筒还是短圆筒，可根据临界长度Lcr来判定。
2、Lcr和Lcr/
临界当压圆力筒值处Pcr于和临用界短长圆度筒L公cr式时计，算用的长临圆界筒压公力式值计算Pcr所/应得相的 等，即
pcr2.2E t D e 0 3p'cr2.59E te L //D D oo 2.5
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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。
2020/12/12 短圆筒的临界压力随筒体计算长度增加而减小。
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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。
❖
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。
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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。
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❖ 分析：
❖ （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；
❖ （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。
对于加强圈： L=加强圈中心线之间的距离
h
h
h
h
h 3
L
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hh 33
h 3
LL L
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5.2临界压力
5.2.3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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5.2 临界压力
5.2.1临界压力的概念
临界压力：导致筒体失稳的最小压力。以Pcr表示。
5.2.2影响临界压力的因素
1、筒体几何尺寸的影响 主要考虑筒体的L/D和δ/D。
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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
2020/1Байду номын сангаас/12
5.1.2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。
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若某圆筒的计算长度为L，则：
L＞Lcr，
属于长圆筒；
Lcr′ ＜L＜Lcr，
属于短圆筒；
L＜ Lcr′ ，
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属于刚性圆筒。
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