化工设备机械基础 第十四章 外压容器.

外压圆筒的稳定性
外压容器的稳定性取决于圆筒。对于同样的壁厚， 圆筒比封头更容易失稳。
圆筒两向受压时，研究表明这种情况中的轴向外压 对圆筒失稳的影响不大，在工程设计中，可按仅受 径向受压来考虑，失稳时沿环向会形成几个波。
临界压力pcr：外压容器发生失稳时的相应压 力。当容器所受外压超过临界压力时，容器 就会失稳。临界压力的高低表示了容器稳定 性的大小，是表征容器稳定性的重要参数。
第14章 外压容器
概述
稳定性问题的实质：薄壁壳体不论是受到何种载荷 作用，只要壳体内产生了压缩应力，就有可能出现 稳定性问题。当引起压应力的载荷达到一定值时， 容器截面会因刚度不足突然失去原有平衡时的形状， 产生永久性的压瘪或皱褶，这种现象称为壳体失去 了稳定性。
临界应力：壳体失稳时的压应力，相应的载荷称为 临界载荷。临界应力低于材料的比例极限时称为弹 性（线性）失稳，高于比例极限时称为非弹性（非 线性）失稳。
外压容器的稳定性 是薄壳稳定性问题的 主要内容。实践表明， 外压薄壁容器的失稳
等，夹套容器中用
于加热的介质的压力
大于内筒中的压力时， 内筒即为外压容器。
圆筒所受压缩载荷有三种情况：轴向 受压，径向受压，两向受压。筒形容器 受气体外压时，属于二向受压。裙座受 塔体的重力作用属于轴向受压。
影响圆筒临界压力的因素：
圆筒自身的尺寸：壁厚愈大，直径愈小，愈 不易失稳。厚径比愈大，临界压力愈高，容 器的稳定性愈好。
圆筒所受的约束： 指支撑圆筒提高其保持圆 环截面能力的约束。由于封头的刚性较筒体 高，所以封头就是外压圆筒的约束。约束自 身的刚度决定了约束对圆筒材料的支撑能力 及影响范围。
圆筒的初始缺陷：外压圆筒的失稳并非由 于圆筒周线不圆所致，就是说即使圆筒横 截面为几何上的理想圆环形，圆筒也会失 稳。但是，圆筒各种初始缺陷，诸如几何 形状和尺寸的偏差（如焊接或焊后热处理 引起的变形，钢板厚度的不均匀，圆筒的 椭圆度等）、材料性能的不均匀等，这些 都会对圆筒的稳定性产生很大的影响，或 者说临界压力对初始缺陷极为敏感。工程 设计中，对于初始缺陷以稳定安全系数来 反映；一定的稳定安全系数值，是以对初 始缺陷进行一定的控制为前提的。
避免在标准椭圆形封头的赤道处出现内压下的环 向失稳问题。
容器受到外压作用时，除了在筒体与封头的局部 区域有可能产生拉应力之外，在其大部分壁厚区 域内会产生压缩薄膜应力。此时，容器的失效形 式有两种可能：一种是发生压缩屈服破坏，另一 种是当外压达到一定数值时，壳体的径向挠度随 压缩应力的增加趋向急剧增大，直至容器压瘪， 此即为外压容器的失稳。
长圆筒：两相 邻约束的影响范 围不重叠，对中 间部分的圆筒没 有加强作用，即 其稳定性不受约 束的影响。长圆 筒失稳时呈现两 个波（扁形）， 临界压力较低， 较易失稳。长圆 筒适用圆环受径 向外压作用的力 学模型。
短圆筒：两相邻约束的影响范 围重叠，约束的强弱对其稳定性
有很大影响。短圆筒失稳时呈现
薄壁圆筒受轴向压缩载荷作用 时，有可能出现轴向失稳。轴向 失稳不同于一般细长压杆的失稳， 其特点是轴线的直线状态不变， 但经线变为波浪形。工程设计时， 对高塔的裙座可以按照轴向失稳 来确定其临界应力，将风载荷产 生的弯曲应力和塔体重力产生的 压应力叠加得到的组合压应力限 制在临界应力以下，以保证裙座 具有足够的轴向稳定性。
两个以上的波，其临界压力的值
较高。对于一定的圆筒直径，短
圆筒的临界压力不仅与壁厚有关， 而且与约束的强弱及约束间的距 离有关。
当圆筒稳定性不足时，可以在圆筒上增加刚性约 束（加强圈），也可以增加筒壁厚度（圆筒直径 及容积通常取决于工艺要求）。外压圆筒上设置 加强圈是提高其稳定性的经济而有效的措施。加 强圈可设置在圆筒外部也可以在圆筒内部，通常 可用工字钢等型钢制成。
壳体稳定性的实例
高塔受到风载荷和重力载荷的共 同时作用时，在裙座的背风侧有 可能由于局部压应力过大而出现 局部失稳（屈曲）现象。容器在 支座处或其它支承处以及在安装 运输中由于过大的局部外压等都 有可能引起局部失稳。
受均布内压的椭球壳，如标准椭圆形封头，在赤 道附近存在压应力而有可能导致环向失稳。因此， 在GB150中有“标准椭圆形封头的有效厚度应不 小于封头内直径的0.15%”的规定，目的就是为了
我国GB150规定外压圆筒的稳定安全系数取m=3。 这个安全系数是以一定制造要求为基础的，如标 准对圆筒的椭圆度误差就做了具体规定。
外压圆筒的稳定性计算，关键是求取圆筒的临界
压力pcr 。
长圆筒的临界压力与约束无关。
短圆筒的临界压力与约束的强弱及约束间的距离 有关。GB150中采用计算长度L（两相邻刚性约 束间的最大距离）来表示约束的影响。加强圈可 视为刚性约束，凸形封头计入其曲面深度的1/3。
外压圆筒设计的图算法
外压容器的稳定性设计，就是要保证在所承受的 外压下容器具有足够的稳定性，即容器的稳定性 条件为：
pc≤[p] pc –计算外压力，许用外压[p]由计算得到的临界压
力pcr除以稳定安全系数m而得。
设计外压的确定同样要考虑容器最危险的工况。 如真空容器当无安全控制装置（如真空泄放阀） 时，设计压力取0.1MPa.
圆筒材料的性能：与压杆类同，圆筒失稳时环 向“纤维层”发生了弯曲。对于弹性失稳，临 界压力与弹性常数E和μ有关，与屈服点无关。 弹性常数的值愈大，稳定性愈好。由于各种钢 材的弹性常数的值相差不大，因此，对于弹性 （线性）失稳来说，选用高强度钢对提高筒体 的稳定性没有意义；对于非弹性（非线性）失 稳，由于其临界压力与材料的强度特性有关， 采用高强度钢可以提高圆筒的稳定性。
不论对于长圆筒或短圆筒，其临界压力可表示为：
pcr

KE

e
Do
3
式中：K—系表示与圆筒失稳时的波数及L/Do有关 的系数。
临界应力（环向）：
2
cr

pcr Do