过程设备设计-外压容器设计1概论
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》第二版(郑津洋,董其伍,桑芝富) 课后习题答案 化学工业出版社
思考题参考答案第1章压力容器导言思考题1.1我国《压力容器安全技术监察规程》根据整体危害水平对压力容器进行分类。
压力容器破裂爆炸时产生的危害愈大，对压力容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也愈高。
设计压力容器时，依据化学介质的最高容许浓度，我国将化学介质分为极度危害（Ⅰ级）、高度危害（Ⅱ级）、中度危害（Ⅲ级）、轻度危害（Ⅳ级）等四个级别。
介质毒性程度愈高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重。
压力容器盛装的易燃介质主要指易燃气体或液化气体，盛装易燃介质的压力容器发生泄漏或爆炸时，往往会引起火灾或二次爆炸，造成更为严重的财产损失和人员伤亡。
因此，品种相同、压力与乘积大小相等的压力容器，其盛装介质的易燃特性和毒性程度愈高，则其潜在的危害也愈大，相应地，对其设计、制造、使用和管理也提出了更加严格的要求。
例如，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压力容器制造时，碳素钢和低合金板应逐张进行超声检测，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应进行气密性试验。
而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。
又如，易燃介质压力容器的所有焊缝均应采用全熔透结构思考题1.2筒体：压力容器用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间，是压力容器的最主要的受压元件之一；封头：有效保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量；密封装置：密封装置的可靠性很大程度上决定了压力容器能否正常、安全地运行；开孔与接管：在压力容器的筒体或者封头上开设各种大小的孔或者安装接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪等接管开孔，是为了工艺要求和检修的需要。
支座：压力容器靠支座支承并固定在基础上。
安全附件：保证压力容器的安全使用和工艺过程的正常进行。
思考题1.3《压力容器安全技术监察规程》依据整体危害水平对压力容器进行分类，若压力容器发生事故时的危害性越高，则需要进行安全技术监督和管理的力度越大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也越高。
第9章 外压容器设计
2 注意： B E 只适用于 弹 性 变 形 阶 段 3
9.2 外压薄壁圆筒的厚度设计
二、轴向受压圆筒的稳定性计算
仅轴向受压的圆筒, 在弹性段内的稳定许用应力, 在工程设计中可用下 列公式计算:
cr
0.06 E e m Ri Ri
(3)稳定系数m 稳定系数m 的确定与所用公式的精确程度、制造技术所能保证的质 量(如形状公差)、焊缝结构形式等因素有关。如果所取m 太小, 会对 制造要求过高; 而m 取得太大则将使设备笨重, 造成浪费。综合考虑 上述种种因素, 我国有关标准规定取m = 3。但当筒体制造完毕时的 椭圆度e> 0 .5% DN( DN 为筒体的公称直径) , 且大于25mm 时, 其初
例15-1 减压塔稳定性的校核。
ec = nc C cos
再以锥体的当量长度Le (图15-9) 作为计算长度, 并以Le/DL代替L/Do , DL/ δec 代替Do/δe , 然后按上述算图进行计算。 无折边锥壳或锥壳上相邻两加强圈之间锥壳段(图15-9(a) 和(d))的当量 长度为:
Le = Lx 2 Ds 1 D L
9.1 概述
9.2 外压薄壁圆筒的厚度设计
受外压的圆筒, 有的仅横向均匀受压, 有的则横向和轴向同时均匀受压, 但失稳破坏总是在横断面内发生, 也即失稳破坏主要为环向应力及其变 形所控制。因此本章主要讨论薄壁圆筒在横向受均布外压时的厚度设 计计算方法。 计算外压圆筒的厚度时, 一般要先假定一个名义厚度δn (已圆整至钢板 厚度规格) , 经反复计算校核后才能完成, 工程设计也常常采用算图来简 化计算过程, 下面分别介绍解析法和图算法。
Ri —圆筒的内半径, mm。 在弹性与塑性转折段, 也可应用B-A算图, 对于轴向受压缩圆筒规定: B = [σcr] , 代入式(15-12 ), 则有：
第十六章外压容器设计
2 将B EA与 p 带入得到 3
2
e
e A 0.125 R0
第十六章外压容器设计
二、外压锥壳
ec nc C cos
无折边锥壳或锥壳上相邻两 加强圈之间锥壳段的当量长 度Le按式
Lx Ds Le 1 2 DL
e1、临界长度来自Lcr 1.17 Do
Do
e
1)定义: 容器在外压作用下，与临界压力相对应 的长度，称为临界长度 。 2)作用: 用临界长度可作为长、短圆筒和刚性 圆筒的区分界限。
Lcr
Lcr
刚性圆筒
第十六章外压容器设计
短圆筒
长圆筒
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 临界压力 临界应力 应变
e pcr 2.2 E D0 2. 5 t e / D0 pcr 2.59 E L / D0
t
3
在临界压力作用下，筒壁产生相应的应力及应变即
第十六章外压容器设计
L f( , ) e D0
令 A=ε ， 以A作为横坐标，L/Do作为纵坐标，
临界压力 Pcr
壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力。
临界压应力 cr
壳体在临界压力作用下，壳体内存在的压应 力称为临界压应力。
第十六章外压容器设计
影响临界压力的因素
1、筒体几何尺寸的影响
表 5-1 外压圆筒稳定性实验
实验 筒径 筒长 筒体中间有 序号 D(mm) L(mm) 无加强圈
① ② ③ ④ 90 90 90 90 175 175 350 350 无 无 无 有一个
第十六章外压容器设计
过程设备设计-外压容器的设计
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。）
（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：
第五章 外压容器设计
1、概述
Байду номын сангаас
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
外压容器概要PPT课件
29
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三、外压圆筒的试压
外压容器和真空容器以内压进行压力试验。
试验压力 液压试验 pT =1.25p
气压试验 pT =1.15p
p 设 计 压 力 ，MPa； pT 试 验 压 力 ，MPa
30
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第四节 外压球壳与凸形封头的设计
一、外压球壳和球形封头的设计 二、凸面受压封头的设计 学生课后自学
(3)在图5—9的下方找到系数A＝0.00011所对应的点，此点落在材料
温度线的左方，故利用5－12式确定[p]：
2AE t 2 0.00011168.4103
[ p]
0.0899(MPa)
3D0 / e
3152
显然[p] < p，故须重新假设壁厚δn或设置加强圈。现按设
两个加强圈进行计算(仍取δn ＝14mm)。
支持作用，弹性失稳时形成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，仅与圆筒厚与直径的比值有关。
pcr
2.2E
e
D0
3
6
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（2）短圆筒（short cylinders）
pcr
2.59 E
e / D0 2.5
L / D0
pcr与材料、 e / D0有关 与L / D0 有关
15
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解： 1、确定计算长度L
1 L 6000 500 2 6340mm
3
2、有效厚度δe分别为7.2、10.2、12.2 当δe＝7.2mm时
查图1-66，得
A=0.000082
查B值,A值所在点落在材料温度线的左方，故
3、比较[P]<0.1MPa，所以9m1m6钢板不能用。
第四章外压容器设计
2
第一节
概述
二、临界压力 外压容器发生失稳时的相应压力称为临界压力 。 薄壁圆筒受侧向均布外力作用，一旦达到临界压力时 ，沿周向将形成几个波。
外压圆筒的失稳形态
3
第一节
概述
临界压力
临界压力除与圆筒材料的E、μ有关外，主要和 圆筒长度与直径之比值、壁厚与直径的比值有关。
早期对外压圆筒的分析是按照理想圆柱壳线性小 挠度理论进行的，但失稳实验表明该分析结果不正确， 根本原因壳体失稳本质上是几何非线性问题，，所以 失稳分析应按非线性大挠度来考虑。
4
第一节
概述
临界压力表述与许用设计外压的确定
[p] Pcr/m
[P]－许用设计外压，MPa Pcr－临界压力，MPa m－稳定系数， 我国钢制压力容器标准取m=3
5
第一节
概述
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； 应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…
3
3
式中：Pcr---沿圆环单位周 长上的载荷； t---圆环的壁厚； R---圆环中性面的 半径，D=2R； E---圆环材料的弹 性模量。
15
一、受均布侧向外压的长圆筒的临界压力
(三)长圆筒的临界压力公式
16
二、受均布侧向外压短圆筒的临界压力
(一)未加强圆筒的临界压力
或
(二)临界长度
(三)带加强圈的圆筒
概述
外压容器的设计参数
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
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）
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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
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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。
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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）
11外压容器的设计
D 0/e 3
2.4 02
[p]＜0.1MPa，所以12mm钢板也不能用。
当de=12mm时
L 63403.126
D0 2028169 D0 2000214
de 12
查图得A=0.000018。查图，A值所在点仍在材料温度线
得左方，故
d [p ]B 2 1 .6 9 15 0 1 .8 1 4 0 1 0 .1M 2
失稳时的临界压力与de/D有关,而与L/D 无关。
出现波纹数n=2的扁圆形。 短圆筒：两端封头对筒体变形有约束作用，
临界压力与de/D有关,而且与L/D 有关。失稳
破坏波数n>2。
刚性圆筒：若筒体较短，筒壁较厚，即L/D0 较小，de/D0较大，容器的刚性好，不会因失
稳而破坏。
2. 筒体材料性能
33
3
设计步骤
利用算图确定外压圆筒厚度。步骤如下：
1． D0/de≥20的外压圆筒及外压管
a. 假设dn,计算de＝dn-C,定出L/D0、D0/de值
b. 在外压或轴压受压圆筒和管子几何参数计 算图中得到系数A；
c. 根据所用材料，从A-B关系图中选用，读出
B值，并按式计算许用外压力[p]：
[ p] B
容器强度足够却突然失去了原有的形状，筒 壁被压瘪或发生褶绉，筒壁的圆环截面一 瞬间变成了曲波形。这种在外压作用下， 筒体突然失去原有形状的现象称弹性失稳。
容器发生弹性失稳将使容器不能维持正常操 作，造成容器失效。
失稳现象的实质：
外压失稳前，只有单纯的压缩应力，在失稳 时，产生了以弯曲应力为主的附加应力。
K为特征系数，
pcr
KE(de
D0
)3
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
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
过程设备设计第三版课后答案及重点(郑津洋)
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：○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○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：○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 ○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=，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。
第四章外压容器设计
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
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YULIN UNIVERSITY
第四章 外压容器设计
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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，
化工机械基础-第11章 外压容器设计基础
2E t
D0
e
1.1
e
D0
2
长圆筒应变
2.5
1.5
'
'cr
Et
2.59Et
e
D0
L 2Et
D0
e
1.3
e
D0
L
D0
D0
短圆筒应变
化工设备机械 基础
• 1. 算图的由来 – 外压圆筒失稳时，筒壁的环向应变值与筒体几何 尺寸（δe，D0，L）之间的关系
f
D0 ，L
B 2 Et 2 Et
m
3
化工设备机械 基础
• 1. 算图的由来
若以ε为横坐标，以B为纵 坐标，将B与ε （即图中A ）关系用曲线表示出来。 利用这组曲线可以方便而 迅速地从ε找到与之相对应 的系数B，进而求出[p]。 当ε比较小时，E是常数， 为直线（相当于比例极限 以前的变形情况）。当ε较 大时（相当于超过比较极 限以后的变形情况），E值 有很大的降低，而且不再 是一个常数，为曲线。
不同的材料有不同的比例极限和屈服点 ，所以有一系列的A－B图。
化工设备机械 基础
二、外压圆筒厚度设计的图算法
利用算图确定外压圆筒厚度。步骤如下：
1． D0/e≥20的外压圆筒及外压管 a. 假设n,计算e＝n-C,定出L/D0、D0/e值
b. 在图11-5 外压或轴向受压圆筒和管子几何 参数计算图中得到系数A；
化工设备机械 基础
第十一章 外压容器设计基础
1、概述； 2、临界压力； 3、外压容器设计方法及要求； 4、外压球壳与凸形封头的设计 5、加强圈的作用与结构
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§11.1概述 一、外压容器的失稳
化工设备机械 基础
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
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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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）
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：
Pcr R
n2
1
Ee
1
nl
R
2
2
12
E
1 2
(
e
)3
R
n2
1
2n2 1
1
nl
R
2
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Leabharlann 3 凸形封头的弹形失稳分析
4、外压圆筒的设计
七、外压封头的设计
（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：
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。）