外压圆筒和封头的设计

加强圈结构 加强圈自身在环向的连接要用对接焊，与筒体的连接可采用连续焊或间断焊。装在筒体外部 的坚强圈，其每侧间断焊的总长应不小于容器外圆周长度的二分之一；加强圈装在内部时则 应不少于圆周长度的三分之一。 所需加强圈的最大间距：
Ls 0.86 E t
D0 Se p D0
2.5
pc p
pcr m
（4-5）
对圆筒、锥壳取m=3，球壳、椭圆形和碟形封头取m=15。 由于外压圆筒壁厚的理论计算方法非常复杂，《钢制压力容器》GB150-1998推荐采用图算法。 一、算图的由来（Origin of Rendering） 将长、短圆筒的临界压力计算公式归纳成：
S pcr KE t e D0
S
2 pc
t
t
Qpc D i
式中Q为系数，根据 pc 和 Ri Di 由图查取。
二、椭圆形封头（Elliptical Head） 按外压球壳图算法进行设计，其中椭圆形封头的当量球壳外半径R0按下式确定：
R0 K1D0
D0为椭圆形封头的外径，K1为由椭圆封头长短轴之比确定的形状系数。
将以上关系绘成曲线，即为外压圆筒几何参数计算图，该图适用与任何材料的圆筒。
圆筒许用外应力
pcr KE Se p 3 D0 m
t
3
p D0 KE t Se 2 KE t Se 2 2 AE t cr 3 D0 3 2 D0 3 3 Se
A
系数A>0.1时，取A=0.1。
1.1
D0
Se
2
（4-9）
（2）按下式计算 p 1和 p 2，取两者中的较小值为许用外压力 p ，
2.25 0.0625 B p 1 D S 0 e
（4-10）
p 2
2 0 D0 Se
1 1 D S 0 e
D0 Se
（4-4）
当 L L cr 时，可按长圆筒进行计算。
1.3 外压圆筒的设计计算（External Pressure Vessel Design）
外压圆筒的临界压力公式是按一定的理想状态下推导出来的。实际筒体往往存在几何形状不规 则、材料不均匀、载荷不均匀等，因此确定许用工作外压时，必须考虑稳定安全系数m，即
（4-18）
HW（3/29） 名词解释： 外压容器、弹性压缩失稳、临界压力、长圆筒、短圆筒、刚性圆筒、临界长 度、计算长度、轴向失稳、稳定安全系数、侧向失稳 四/B/3
长圆筒：筒体的L/D0值较大，筒体两端边界约束可以忽略，临界压力仅与Se/D0有关，而与L/D0 无关。长圆筒失稳时的波形数n=2。
短圆筒：筒体两端边界对筒体有明显的支撑作用，边界约束不可以忽略，临界压力不仅与Se/D0 有关，而且与L/D0有关。圆筒失稳时的波形数n>2。 刚性圆筒：筒体的L/D0值较小，Se/D0较大，刚性好，筒体的失效形式为压缩强度破坏。
2.1 外压球壳和球形封头的设计（Design of External Pressure Spherical Shell and Head） 受外压的球壳和球形封头的壁厚按下列步骤确定： （1）假设Sn，求Se=Sn-C、定出R0/Se值； （2）用下式计算系数A；
A
0.125 R0 Se
（4-15）
对于钢制容器， 0.3 则上式可以写成
Se pcr 2.2 E D0
t
3
（4-1）
相应的临界应力为：
pcr Do t Se cr 1.1E 2 Se D0
2
钢制短圆筒：
pcr
S 2.59 E t e
D0 L D0
2.5
设计压力 取不小于正常工作过程中可能产生的最大内外压力差 取1.25倍最大内外压力差或0.1MPa两者中的较小值 0.1MPa 取无夹套真空容器设计压力，再加上夹套内设计压力 按无夹套真空容器规定选取
真 空 容 器
2）计算长度L（Length） 筒体计算长度是指两个刚性构 件之间的距离。封头、法兰、 加强圈均可视为刚性构件。对 于凸形封头，应计入直边高度 和封头曲面深度的1/3。
（4-16）
p
0.0833E t
R0
Se
2
（4-17）
（4）比较计算压力 pc与 p ，若 pc p ，则需重设Sn ，重复上述计算步骤，直到 p 大于且接近 pc 为止。
2.2 外压封头的设计（Design of External Pressure Head） 一、球冠形封头（Spherical Head） 按外压球壳图算法和受内压球冠形封头的壁厚计算公式分别计算，取其较大值：
三、碟形封头（Dished Head） 按外压球壳图算法进行设计，其中当量球壳外半径R0为碟形封头球面部分的外半径。
3 外压圆筒加强圈的设计（Design to Enhance Ring of External Pressure Vessel）
外压圆筒的临界压力与圆筒的计算长度有关，减小圆筒的计算长度可以提高其临界压力，从而提 高许用操作外压力。外压圆筒的计算长度是指两个刚性构件间的距离，在圆筒的外部或内部设置 加强圈可以减小圆筒的计算长度。 加强圈应有足够的刚性，通常采用工字钢、角钢、扁钢或其他的型钢。
2 2
令B
p D0
Se
，得
2 2 B cr AE t 3 3
以A为横坐标，以B为纵坐标，将B与A的关系用曲线表示出来，称为材料温度曲线。设计时 借用这些图表查得B，则许用外压力为：
p B
Se D0
（4-7）
二、图算法的设计步骤 对D0/Se≥20的圆筒和管子： （1）假设Sn，求Se=Sn-C、L/D0和 D0/Se； （2）在几何参数计算图的左方找 到L/D0值、过此点沿水平方向向右 移与D0/Se线相交。若L/D0大于50， 则用L/D0 =50查图；若L/D0小于 0.05 ，则用L/D0 =0.05查图； （3）过此交点沿垂直方向下移， 在图的下方得到系数A；
2 AE t （4-8） p 3 D0 Se （5）比较计算压力 pc与 p ，若 pc p ，则需重设Sn ，重复上述计算步骤，直到 p 大于且接近
为止。
pc
对D0/Se<20的圆筒和管子： （1）用与D0/Se ≥20 时相同的步骤得到系数B。但对于D0/Se<4.0的圆筒和管子，系数A用下式计 算：
（4-11）
式中，应力 0 取下列两值中的较小值：
0 2
t
0 0.9 st 或
t 0.9 0.2
（3）比较计算压力 pc与 p ，若 pc p ，则需重设Sn ，重复上述计算步骤，直到 p 大于且接近 pc 为止。
三、 设计参数的确定（Design Parameters） 1）设计压力（Design Pressure） 类型 外压容器 无 夹 套 带 夹 套 设安全控制装置 无安全控制装置 夹套内为内压的 真空容器器壁 夹套内为真空的 夹套壁
3）试验压力（Test Pressure） 外压容器和真空容器按内压容器进行压力试验： 试验压力 液压试验
pT 1.25 p pT
t
（4-12）
气压试验
1.15 p t
（4-13）
压力试验的应力校核 在进行压力试验时，容器的薄膜应力按下式计算：
pT Di Se T 2 Se
筒体的临界应力
3
pcr D0 KE t Se cr 2 Se 2 D0
2
临界应力所对应的周向应变 ，外压设计时用A表示，为：
A
cr
Et

L D0 K Se f , 2 D0 D0 Se
2
（4-6）
（3）按所用材料选用相应的图表，在图的下方找到A。若A落在设计温度下材料线的右方，则过 此点垂直上移，与设计温度下的材料线相交，再过此点水平方向右移，在图的右方得到系数B， 并按下式计算许用外压力 p ：
若A值落在设计温度下材料线的左方，则按下式计算许用外压力 p ：
B p R0 Se
（4-2）
S cr 1.3E t e
刚性圆筒： 只需校核其强度即可
D0 L D0
1.5
pw
2 Se y
t
Di Se
（4-3）
t t 式中 为材料在设计温度下的许用压应力， Mpa ，可取 s y y
t
4
临界长度：
Lcr 1.17 D0
第四章 外压圆筒与封头的设计（Design of External Pressure Cylinder and Head）
1. 外压圆筒的工程设计 1.1 基本概念
外压容器（External Pressure Container）： 凡是外部压力大于内部压力的容器均称为外压容器。如减压蒸馏塔、真空冷凝器、带夹套的反应 釜等。 外压容器的失稳（Instability of External Pressure Container ）： 壳体在外压作用下承受压应力，但往往是壳壁的压应力还远小于筒体材料的屈服极限时，筒体就 失去原来的几何形状被压瘪或褶皱，这种在外压作用下壳体突然被压瘪的现象称为失稳。失稳是 外压容器失效的主要形式。 容器失稳型式的分类：容器的失稳形式可分为側向、轴向及局部失稳等几种。
圆筒几何参数计算图(适用于所有材料)
（4）按所用材料选用相应的图表，在图的下方找到A。若A落在设计温度下材料线的右方，则过 此点垂直上移，与设计温度下的材料线相交，再过此点水平方向右移，在图的右方得到系数B， 并按下式计算许用外压力 p ：