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（p cr ）。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p cr 值也越大；L /D 的值越大，圆筒刚度越小，临界压力p cr 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p cr ，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[]3cr p p ≤。

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。

支撑线系指该处的截面有足够的惯性矩，不致在圆筒失稳时也出现失稳现象。

圆筒计算长度，应取圆筒上两相邻支撑线之间的距离，见图7-1。

三、加强圈的设置

GB150.3第4章“外压圆筒和外压球壳”对加强圈的设置做出了规定。

1、加强圈可设置在容器的内部或外部，应整圈围绕在圆筒的圆周上。加强圈两端的接合形式应按图7-2中A、B所示。

2、容器内部的加强圈，若布置成图7-2中C、D、E或F所示之结构时，则应取具最小惯性矩的截面进行计算。

3、在加强圈上需要留出如图7-2中D、E及F所示的间隙时，则不应超过图7-3规定的弧长，否则须将容器内部和外部的加强圈相邻两部分之间接合起来，采用如图7-2中C所示的结构。但若能同时满足以下条件者可以除外：

a）每圈只允许一处无支撑的壳体弧长；

b）无支撑的壳体弧长不超过90°圆周；

c）相邻两加强圈的不受支撑的圆筒弧长相互交错180°；

d）圆筒计算长度L应取下列数值中的较大者：

——相间隔加强圈之间的最大距离；

——从封头切线至第二个加强圈中心的距离再加上1/3封头曲面深度。

图7-2 外压容器加强圈的各种布置图

4、容器内部的构件如塔盘等，若设计成起加强作用时，也可作加强圈用。

5、加强圈与圆筒之间可采用连续的或间断的焊接，当加强圈设置在容器外面时，加强圈每侧间断焊接的总长，应不少于圆筒外圆周长的1/2，当设置在容器里面时，应不小于圆筒内圆周长的1/3。焊脚尺寸不得小于相焊件中较薄件的厚度。

间断焊缝的布置与间距可参照图7-4所示的型式，间断焊缝可以相互错开或并排布置。最大间隙t，对外加强圈为8δn，对内加强圈为12δn。

图7-3 圆筒上加强圈允许的间断弧长值

图7-4 加强圈与圆筒的连接

四、外压圆筒的稳定性校核

GB 150.3第4章“外压圆筒和外压球壳”规定了外压圆筒的稳定性校核计算。 4.3.2 D 0/δe ≥20的圆筒 4.3.2.1 确定外压应变系数A

根据L/D o 和D o /δe 由图4-2或表4-2查取外压应变系数A 值 4.3.2.2 确定外压应力系数B

按所用材料，查表4-1确定对应的外压应力系数B 曲线图

4.3.2.3 确定许用外压力[]p

[]e

D B

p δ/0=

计算得到的[]p 应大于或等于c p ，否则须调整设计参数，重复上述计算，直到满足设计要求。

4.3.3 D 0/δe ＜20的圆筒（略）

五、外压封头的计算

1、外压球壳的计算

GB 150.3第4章“外压圆筒和外压球壳”规定了外压球壳的计算。 4.4.1 确定外压应变系数A

根据R o /δe ，用式（4-5）计算系数A 值：

()

e R A δ/125

.00=

4.4.2 确定外压应力系数B

按所用材料，查表4-1确定对应的外压应力系数B 曲线图，由A 值查取B 值（遇中间值用内插法）；

4.4.3 确定许用外压力[]p

根据B 值，按式（4-6）计算许用外压力[]p 值： []()

e R B

p 0=

计算得到的[]p 应大于或等于c p ，否则须调整设计参数，重复上述计算，直到满足设计要求。

2、受外压（凸面受压）椭圆形封头的计算

GB 150.3第5章“封头”规定了受外压（凸面受压）椭圆形封头的计算。 以下内容摘选自GB 150.3第5章“封头”。

5.3.3 凸面受压椭圆形封头的厚度计算应采用本部分第4章外压球壳设计方法，其中R 0为椭圆形封头的当量球壳外半径，R 0=K 1D 0。

K 1——由椭圆形长短轴比值决定的系数，见表5-2。 3、其他型式外压封头

六、外压圆筒加强圈的计算

GB 150.3第4章“外压圆筒和外压球壳”规定了外压圆筒加强圈的计算。 4.5.1.1 惯性矩计算

选定加强圈材料与截面尺寸，计算其横截面积A S 和加强圈与圆筒有效段组合截面的惯性矩I S ；圆筒有效段系指在加强圈中心线两侧有效宽度各为e D δ055.0的壳体。

若加强圈中心线两侧圆筒有效宽度与相邻加强圈的圆筒有效宽度相重叠，则该圆筒的有效宽度中相重叠部分每侧按一半计算。 4.5.1.2 确定外压应力系数B

按式（4-7）计算B 值：

()

s s e c L A D p B /0

+=

δ

（4-7）

4.5.1.3 确定外压应变系数A