外压圆筒设计

t [ p ] ≥ pc、且 σ cr ≤ σ s ，则以上假设的满足要求； 则以上假设的满足要求； 若
校核压力试验时圆筒的强度。 ● 校核压力试验时圆筒的强度。
四、圆筒壁厚确定的图算法
◆
图解法的依据
图算法的基础是解析法，将解析法的相关公式经过分析整理， 图算法的基础是解析法 ， 将解析法的相关公式经过分析整理 ， 绘制成两张图。一张图反映圆筒受外压力后， 绘制成两张图 。 一张图反映圆筒受外压力后 ， 变形与几何尺寸之 间的关系，称为几何参数计算图， 间的关系 ， 称为几何参数计算图 ， 另一张图反映不同材质的圆筒 在不同温度下，所受外压力与变形之间关系的图， 在不同温度下 ， 所受外压力与变形之间关系的图 ， 称为厚度计算 此图不同的材料有不同的图。 图，此图不同的材料有不同的图。
第三章 外压容器设计
目录
1
外压容器的稳定性
2
外压薄壁容器壁厚确定
3 外压薄壁圆筒的加强圈
第一节 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 二是稳定性不 强度不够， ● 外压容器的Baidu Nhomakorabea效一是 强度不够 ， 二是 稳定性不 足。 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。
Do = Di + 2δ n
的值； ● 计算 L Do , Do δ e 的值； ● 在几何参数计算图上，由L/Do和Do/δe在横坐标上 在几何参数计算图上， 大于50 50、 O=50查图 查图， 找到系数A值，若L/DO大于50、用L/DO=50查图，若 L/DO小于0.05，用L/DO=0.05查图； 小于0.05 0.05， O=0.05查图 查图； 根据圆筒所用材料选厚度计算图，在此图上由第（ ●根据圆筒所用材料选厚度计算图，在此图上由第（4） 步所得A值和设计温度t在纵坐标上找到系数B值，并按 下式计算许用外压力[ ],即 下式计算许用外压力[p],即
第三节 外压薄壁圆筒的加强圈
加强圈的作用、 一、加强圈的作用、结构及要求 ◆ 加强圈的结构
加强圈是焊接在圆筒外侧或内侧、 加强圈是焊接在圆筒外侧或内侧、且具有足够刚性 的圆环状构件。其截面形状有矩形、 字形、 的圆环状构件。其截面形状有矩形、L形、T形、U字形、 工字形等。常用型钢制作，如扁钢、角钢、槽钢、 工字形等。常用型钢制作，如扁钢、角钢、槽钢、工字 钢等。 钢等。
二、外压容器的失稳过程及临界压力的概念
失稳的概念 容器强度足够却突然失去了原有的形状， 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。 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， 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。 性失稳。 容器发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作， 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。 造成容器失效。
为半球形内半径； 对半球形封头 Ro = Ri + δ n ，Ri 为半球形内半径； 按表3 查取； 对椭圆形RO=K1Do，K1按表3-1查取； 球面部分内半径。 对碟形封头Ro=球面部分内半径。
A = 0.125 ● 计算临界应变A值 Ro 根据圆筒所用材料选厚度计算图，在此图上由第（ ● 根据圆筒所用材料选厚度计算图，在此图上由第（3）
δe
Ro
)2
比较： ● 比较： c,则以上假设的满足要求 则以上假设的满足要求, 若[p]≥pc,则以上假设的满足要求,否则重新假设 另一较大的，重复以上各步、直至满足要求为止。 另一较大的，重复以上各步、直至满足要求为止。 对于承受外压力的锥形壳体，当半顶角α 对于承受外压力的锥形壳体，当半顶角α＞60o时， 按平封头计算； 按平封头计算；当α≤60o时，因锥壳与圆筒连接处存 在变形不协调而产生的边缘应力， 在变形不协调而产生的边缘应力，所以在连接处附近圆 筒和锥壳都要有足够的刚度， 筒和锥壳都要有足够的刚度，保证其在外压力作用下不 会失稳。具体计算方法可参见GB150 GB150。 会失稳。具体计算方法可参见GB150。
● 临界长度 ● 临界长度的计算
＊ 区分长圆筒和短圆筒的临界长度Lcr
Lcr = 1.17 Do Do
δe
＊ 区分短圆筒和刚性圆筒的临界长度Lˊcr
L =
' cr
1.3Eδ e
σ st
Do
◆
计算长度确定 ● 计算长度 计算长度是指圆筒上相邻两刚性构件（如封头、 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。 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+两封头直边高度+两封头曲面深度的1/3 长度+两封头直边高度+两封头曲面深度的1/3 。
◆
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， 现以≥20的圆筒为例说明 现以≥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
[ p] = B ×
δe
Do
值落在设计温度下材料线的左方， 若A值落在设计温度下材料线的左方，则直接用下 式计算许用外压力[ ],即 式计算许用外压力[p],即
● 比较
δe 2 [ p] = EA × Do 3
满足要求, 若[p]≥pc,则以上假设的 δ n 满足要求,否则重新 重复以上各步、 假设另一较大的 δ n ，重复以上各步、直至满足要求 为止。 为止。
三、圆筒壁厚确定的解析法
◆
圆筒的厚度表达式
● 长圆筒 ● 短圆筒
δ e = Do
3 pc 2.2 E

0 .4
◆
壁厚确定的步骤
3 pc L δ e = Do 2.59 ED o
确定、 、、、等相关参数 等相关参数； ●确定、pc、t、C、E、L、、、等相关参数； ●假设圆筒的名义厚度 δ n，得 δ e = δ n − C ；
δe
步所得A值和设计温度t在纵坐标上找到系数B值，并按 下式计算许用外压力[ ],即 下式计算许用外压力[p],即 δe [ p] = B × Ro 若A值落在设计温度下材料线的左方，则直接用下 值落在设计温度下材料线的左方， 式计算许用外压力[ ],即 式计算许用外压力[p],即
[ p] = 0.0833E (
二、加强圈的间距
当圆筒的壁厚确定以后， 当圆筒的壁厚确定以后，加强圈之间的最大间距可按 下式计算： 下式计算：
Lmax
2.59 EDo δ e 2.5 = ( ) mp Do
在圆筒上设置多少加强圈合适，没有确切的定论。 在圆筒上设置多少加强圈合适，没有确切的定论。 加强圈多、间距小，节省筒体材料；但若加强圈太多， 加强圈多、间距小，节省筒体材料；但若加强圈太多， 则自身耗材也多、制造费用也高。 则自身耗材也多、制造费用也高。最佳方案是圆筒材料 和制造费用与加强圈材料和制造费用之和为最小， 和制造费用与加强圈材料和制造费用之和为最小，但工 程实际很难实现。根据经验一般认为每隔1 2m设置一 程实际很难实现。根据经验一般认为每隔1～2m设置一 个加强圈为宜。 个加强圈为宜。
◆ 试验压力
外压容器依然以内压力进行压力试验，其试验压力为： 外压容器依然以内压力进行压力试验，其试验压力为：
● 液压试验 pT = 1.25 p ● 气压试验 pT = 1.15 p
二、外压薄壁容器不失稳的条件
容器的稳定条件为： 容器的稳定条件为：
pc ≤ [ p]
pcr [ p] = m
计算外压力， 式中 pc —计算外压力，MPa 计算外压力 许用外压力， [p]—许用外压力，MPa. 许用外压力
δe
● 外压圆筒
计算长度
◆
圆筒类型的判定 cr时 为长圆筒； ● 当L≥Lcr时，为长圆筒； cr时 刚性圆筒； ● 当L≤Lˊcr时，刚性圆筒；
● 当Lcr＞L＞Lˊcr时，为短圆筒。 cr＞ cr时 为短圆筒。
第二节 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。
◆
◆
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。 由于均匀侧向外压引起失稳叫侧向失稳。
● 轴向失稳
薄壁圆筒承受轴向外压， 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。 达到某一数值时，也会丧失稳定性。 失稳，仍具有圆环截面， 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， 了母线的直线性，母线产生了波形， 即圆筒发生了褶绉。 即圆筒发生了褶绉。
三、加强圈的图算法
◆
加强圈的稳定条件
加强圈组合截面实际具有的惯性矩 Is≥ 保持加强圈 不失稳所需要的组合截面惯性矩I。
◆ 保持加强圈稳定所需要的组合截面惯性矩I
● 计算
B= p c Do A1 δe + Ls
● 根据加强圈所用材料，在所选的外压容器厚度计算 根据加强圈所用材料，
图上， 图上，由以上所计算出的B值和设计温度在横坐标上找 到系数A值；若图中无交点无法得到A值，则可直接用下 式计算： 式计算： B
● 校核压力试验时圆筒的强度 。
五、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。
●假设封头的名义厚度 δ n ，得 δ e = δ n − C ●计算 Ro δ e 的值
比较，确定圆筒的类型； ● 计算临界长度Lcr 、 并与 L 比较，确定圆筒的类型； L
' cr
● 计算 p cr 、[p]、σ cr
比较： ● 比较：
[ p若 pc＜ ]
重复以上各步、 ，则重新假设另一较大的 ，重复以上各步、 δn σ ＞ ，则改用 直至满足要求为止； [ p 直至满足要求为止；若 ] ≥ pc 、但 cr σ st 图算法。 图算法。
应用以上两式应满足两个条件： 应用以上两式应满足两个条件：
＊ 临界应力
σ cr
p cr Do t = ≤σS 2δ e
圆筒的圆度应符合GB150的规定。 GB150的规定 ＊ 圆筒的圆度应符合GB150的规定。
● 刚性圆筒 p max 四、外压圆筒类型的判定
2δ eσ s = Do
t
◆
临界长度计算 区分不同类型圆筒的特征长度。 区分不同类型圆筒的特征长度。
◆ ◆
外压圆筒形容器的分类： 外压圆筒形容器的分类： 按失稳情形式将外压圆筒分为三类： 按失稳情形式将外压圆筒分为三类： 长圆筒、短圆筒、 长圆筒、短圆筒、刚性圆筒
◆ 临界压力的计算
● 长圆筒 ● 短圆筒
p cr = 2.2 E (
δe
Do
)3
(δ e / Do ) 2.5 pcr = 2.59 E L / Do
● 局部失稳
在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的 局部外压也可能引起局部失稳。 局部外压也可能引起局部失稳。
◆ 临界压力的概念
临界压力是导致容器失稳的最小外压力。 临界压力是导致容器失稳的最小外压力。
三、临界压力的计算
影响临界压力的因素 临界压力的大小与筒体几何尺寸、 临界压力的大小与筒体几何尺寸、材质及结构因素 有关。
◆ 对加强圈的要求
加强圈本身应具有足够的刚度， 加强圈本身应具有足够的刚度，在外压力作用下不 会失稳，才能对圆筒起到加强作用。 会失稳，才能对圆筒起到加强作用。
◆ 加强圈的作用
在壁厚一定时、设置加强圈可以减小计算长度， 在壁厚一定时、设置加强圈可以减小计算长度，提 高临界压力，也就是提高了圆筒的承载能力； 高临界压力，也就是提高了圆筒的承载能力；在承载要 求一定时，设置加强圈减小了计算长度， 求一定时，设置加强圈减小了计算长度，进而可减小圆 筒的壁厚、节省材料。 筒的壁厚、节省材料