4.3.2圆筒设计(外压)解读
4.3.2圆筒设计(外压)解析
特点：反复试算
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
二、图算法原理（标准规范采用）
难点
假设：圆筒仅受径向均匀外压，而不受轴向外压，与圆环一 样处于单向（周向）应力状态。
3
将式
t pcr 2.2 E D o
2
（2-92）
厚度 t 改为有效 厚度δe，得：
2.59 Et pcr （2-97） LDO DO t
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
二、图算法原理（续）
长圆筒临界压力
pcr 2.2 E (
e
Do
)
3
短圆筒临界压力
pcr = 2.59E
L Do
δ e 2.5 ( ) Do δ e 0.5 0.45( ) Do
令 B=
代入式（4-21）整理得：
cr pcr D o cr E 2Ee
（4-21）
Do [ p]
e
2 E cr m
D0 p e
4.3.2.4 外压圆筒设计
二、图算法原理（续）
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
（2）厚度计算图（不同材料）：B—A关系曲线（续）
2 2 2 B E cr E cr cr m 3 3
短圆筒
刚性圆筒 这种壳体的L/Do较小，而t / Do较大，故刚性较好。 其破坏原因是由于器壁内的应力超过了材料屈极 限所致。计算时，只要满足强度要求即可。
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
长圆筒临界压力：
t pcr 2.2 E D o
外压圆筒设计
才能保证其对筒体的支承作用。
加强圈最大间距：
• 外压圆筒加强圈间距已选定，可按上述图算法确定出筒体厚 •度；如果筒体的D0/se已确定，可从下式解出加强圈最大间距：
• 加强圈实际间距小于或等于算出间距，表明该圆筒能安全承受设计压力。加
有关。
2．设计外压容器
•设计外压容器应使许用外压[p]小于临界压力Pcr，即：稳定条
件
由于Pcr或[p]都与筒体的几何尺寸（ δ e、D0、L）有关，通常 采用（一）试算法：
• 1）由工艺条件定内径和筒体长度先假定一个δ e，计 算：
•2）根据筒体计算长度判断属于长圆筒还是短圆筒，再代入相应临界压力计算 式。
圆筒发生了褶绉。
•（2）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。
1)临界压力：导致筒体失稳的外压，Pcr
2)临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁内的环向压缩应力 ，
以σcr表示。
a.外压低于Pcr，在压力卸除后能恢复其原先形状，即:发生弹性变形
。
3b).达临到界或压高力于与Pc哪r时些，因产素生有的关曲波形将是不可能恢复的。 ？
• 3）求出相应[p],然后比较[p]是否大于或接近设计压力p，判断假设是否合理
。
外压容器的设计压力：不小于正常工作过程中可能出现的最大内 外压力差。
1）真空容器： a.有安全控制装置（真空泄放阀），取1.25倍最大内外压
差或0.1MPa中较小值； b.无安全控制装置，取0.1MPa。
2）带夹套容器：真空容器的设计压力再加上夹套设计压力作为 内筒容器设计压力。
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 ，
压力容器设计外压圆筒的设计计算
压力容器设计外压圆筒的设计计算压力容器是一种用于贮存和输送液体或气体的设备，它承受着高压环境下的压力。
外压圆筒是其中一种压力容器的设计方式，其承受的是外部环境对容器的压力作用。
在外压圆筒的设计过程中，需要考虑以下几个方面：1.材料的选择：选取适合承受高压的材料，例如碳钢、不锈钢等。
根据压力容器的使用环境和介质特性，选择合适的材料，以保证容器的安全性和可靠性。
2.外压力的计算：根据容器所在环境的压力情况，计算外压力的大小。
外压的计算包括静态外压和动态外压两种情况，其中静态外压是指容器承受的恒定外力，而动态外压则是指容器承受的变化外力。
3.壁厚的计算：根据外压力的大小和材料的强度特性，计算容器的壁厚。
壁厚的计算是为了保证容器在外压力作用下的强度和刚度，以防止容器发生破裂、变形等事故。
4.稳定性的计算：在设计容器的几何形状时，需要考虑外压力对容器的稳定性的影响。
通过计算容器的抗剪稳定系数和抗弯稳定系数，判断容器是否满足稳定的要求。
5.接头设计：容器的接头连接处是容器的弱点，容易发生泄漏和破裂等事故。
在外压圆筒的设计中，需要经过计算和分析，选择合适的接头类型和连接方式，以保证接头的强度和密封性能。
6.强度计算：容器在外压力作用下，需要具备足够的强度承受力。
通过计算容器的主应力和主应变，确定容器的强度和破坏情况。
7.辅助装置的设计：外压圆筒在使用过程中，需要配备相应的辅助装置，如止回阀、减压阀等，以确保容器内压力的稳定和安全。
在设计完成后，需要进行一系列试验和检验，以验证容器的设计是否满足安全和可靠的要求。
总之，外压圆筒的设计计算是一项复杂而重要的工作，需要充分考虑几个方面的因素，以确保容器在高压环境下的安全运行。
外压圆筒设计.共58页文档
1、合法而渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
4.3.2圆筒设计(外压)解析
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
三、工程设计方法（续）
pc≤[p]且较接近——假设的名义厚度δn合理 d. pc＞[p]——假设δn不合理
重设δn， 直到满足
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
三、工程设计方法（续）
2、Do/δe＜20 厚壁筒体
2.59 Et pcr （2-97） LDO DO t
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
二、图算法原理（续）
长圆筒临界压力
pcr 2.2 E (
e
Do
)
3
短圆筒临界压力
pcr = 2.59E
L Do
δ e 2.5 ( ) Do δ e 0.5 0.45( ) Do
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计 二、图算法原理（续） 圆筒在Pcr作用下，
过程设备设计
产生的周向应力
不论长圆筒或短圆筒，失稳
pcr Do cr 2 e
cr pcr D o cr E 2Ee
代入长圆 筒、短圆 筒临界压 力公式
时周向应变（按单向应力时
3
（2-92）
短圆筒临界压力：
2.59 Et pcr LDO DO t
2
（2-97）
临界长度Lcr ：
Lcr 1.17Do
Do t
（2-98）
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计 解析法 外压圆筒设计 图算法
过程设备设计
一、解析法求取外压容器许用压力 ①假设筒体的名义厚度δn； ②计算有效厚度δe； ③求出临界长度Lcr，将圆筒的外压计算长度L与Lcr进行 比较，判断圆筒属于长圆筒还是短圆筒；
第四章 外压圆筒与封头的设计(2)
[ p] B
e
D0
5）比较p和[p]，若p [P]且较接近，则假设的δn符合要求，否则重新 假设δn，重复以上过程直到符合要求为止。
2014-3-28
5.3外压圆筒的工程设计
例1：分馏塔内径2000mm，塔身(不包括椭圆形封头)长度为 6000mm，封头深度500mm。370℃及真空条件下操作。现 库存有9、12、14mm厚20R钢板。能否用这三种钢板制造。 解： 塔的计算长度
（1）垂直线簇，长圆筒状态，A与L/Do无关，只与Do/δe有关；
（2）斜线簇，短圆筒状态， A既与L/Do有关，也与Do/δe有关； （3）折点：长、短圆筒的临界点， L/Do中的L是Lcr；
（4）曲线与材料特性（Et）无关，所以可用该图求取各种材料制造的圆 筒的A值。
2014-3-28
2014-3-28
5.3外压圆筒的工程设计
2014-3-28
5.3外压圆筒的工程设计
4、图算法步骤：
1）假设壁厚δn，计算有效厚度δe=δn-C1-C2，计算筒体长度L； 2）计算L/Do、Do/δe，查几何关系图，得A值，若L/Do >50，用 L/Do=50查A值； 3）根据材料选出壁厚计算图，在曲线横坐标上找到A点，若A点位 于直线段（左侧），说明圆筒发生弹性失稳，Et是常数，B=2/3EtA； 若A位于曲线段（右侧），Et是变量，从曲线上查得B值； 4）计算许用压力
即 A f ( e / D0 , L / D0 ) 绘制L/Do-Do/δe-A 关系曲线 根据圆筒的L/Do和Do/δe查L/Do-Do/δe-A 关系曲线，可 得到A 值（即εcr）。
2014-3-28
5.3外压圆筒的工程设计
关于承受内压圆筒和承受外压圆筒的圆度要求
承受内压圆筒和承受外压圆筒的圆度要求在工程设计和制造领域，承受内压圆筒和承受外压圆筒是常见的结构形式。
它们在各种机械设备、容器和管道中广泛应用，具有重要的工程价值。
然而，在设计和制造过程中，对于这两种结构的圆度要求常常引起工程师的关注。
本文将从深度和广度的角度探讨承受内压圆筒和承受外压圆筒的圆度要求，帮助读者更全面地理解这一重要的工程概念。
一、承受内压圆筒的圆度要求1. 圆筒的内压会导致圆筒变形和应力集中的问题，因此对于承受内压的圆筒，圆度要求非常关键。
圆筒的圆度是指圆筒截面的圆形度，也就是圆筒截面是否符合理想的圆形。
在实际应用中，通常会规定圆筒截面的最大圆度偏差，以确保圆筒在承受内压时不会出现严重的变形和应力集中现象。
2. 圆筒的圆度要求与其材料、厚度和长度等因素有关。
一般来说，圆筒材料的强度越高，对圆度的要求就越严格。
圆筒的厚度和长度也会影响其圆度要求。
较薄的圆筒在承受内压时更容易发生变形，因此对于较薄的圆筒，其圆度要求通常会更为严格。
3. 在实际工程中，对于承受内压的圆筒，通常会采用压力容器设计规范中所规定的圆度要求。
这些规范中会详细列出不同材料、厚度和直径的圆筒应满足的最大圆度偏差，以确保圆筒在承受内压时能够安全可靠地运行。
二、承受外压圆筒的圆度要求1. 与承受内压的圆筒不同，承受外压的圆筒在设计和制造过程中通常需要考虑更多的因素。
由于外压会导致圆筒产生稳定的弧形屈曲，因此对于承受外压的圆筒，圆度要求除了保证圆筒截面的圆形度外，还需要考虑其屈曲性能。
2. 圆筒的屈曲性能与其截面形状、材料和端部支撑方式等因素密切相关。
为了确保承受外压的圆筒能够抵抗屈曲，圆筒的圆度要求通常会要求其截面形状尽可能接近理想的圆形，同时对材料的力学性能和非线性屈曲特性有一定的要求。
3. 在实际工程中，对于承受外压的圆筒，通常会采用压力容器设计规范或结构设计规范中所规定的圆度要求。
这些规范中会详细列出不同材料、厚度和直径的圆筒应满足的圆度要求，以确保圆筒在承受外压时能够稳定可靠地承受外部载荷。
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（4-21）
为避开材料的弹性模量E（塑性状态为变
量），采用应变表征失稳时的特征。
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计 二、图算法原理（续） 将长、短圆筒的Pcr公式分别代入应变式中，得 1 .1 cr 长圆筒 D ( 0 )2
过程设备设计
（4-22）
e
短圆筒
刚性圆筒 这种壳体的L/Do较小，而t / Do较大，故刚性较好。 其破坏原因是由于器壁内的应力超过了材料屈极 限所致。计算时，只要满足强度要求即可。
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
长圆筒临界压力：
t pcr 2.2 E D o
过程设备设计
与材料弹性模量E 无关，对任何材料
L/Do—Do/δe—A 关系曲线
的筒体都适用
令 A=εcr ， 以A作为横坐标，L/Do作为纵坐标， Do/δe作为参量绘成曲线；见图4-6 长圆筒——与纵坐标平行的直线簇，失稳时 周向应变A与L/Do无关； 短圆筒——斜平行线簇，失稳时A与 L/Do、Do/δe 都有关。
找出A—Pcr 的关系（类似于εcr—σcr）
判定筒体在操作外压力下是否安全
4.3.2.4 外压圆筒设计
二、图算法原理（续）
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
（2）厚度计算图（不同材料）：B—A关系曲线（续）
临界压力Pcr，稳定性安全系数m，许用外压力[p]，
故
pcr=m[p]
m[p]D o cr 2 E e
令 B=
代入式（4-21）整理得：
cr pcr D o cr E 2Ee
（4-21）
Do [ p]
e
2 E cr m
D0 p e
4.3.2.4 外压圆筒设计
二、图算法原理（续）
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
（2）厚度计算图（不同材料）：B—A关系曲线（续）
2 2 2 B E cr E cr cr m 3 3
GB150， ASME Ⅷ-1 均取m=3，代入上式得：
（4-25）
εcr
A
σcr
B
建立B与A的关系图
4.3.2.4 外压圆筒设计
二、图算法原理（续）
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
（2）厚度计算图（不同材料）：B—A关系曲线（续） 若利用材料单向拉伸应力——应变关系 对于钢材（不计Bauschinger效应） ，拉伸曲线与压缩曲线 大致相同，将纵坐标乘以 2/3，即可作出B与A的关系曲线。
2.59 Et pcr （2-97） LDO DO t
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
二、图算法原理（续）
长圆筒临界压力
pcr 2.2 E (
e
Do
)
3
短圆筒临界压力
pcr = 2.59E
L Do
δ e 2.5 ( ) Do δ e 0.5 0.45( ) Do
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
④根据圆筒类型，选用相应公式计算临界压力 Pcr；
pcr ⑤选取合适的稳定性安全系数m，计算许用外压[p]= m
⑥比较设计压力 p 和 [p] 的大小。若p≤[p]且较为接近， 则假设的名义厚度δn符合要求；否则应重新假设δn， 重复以上步骤，直到满足要求为止。 解析法求取 外压容器许 用压力
短圆筒
cr
L 0.5 Do 1.5 D 0.45( ) ( ) e o e
1.3 Do
（4-23）
cr f ( L / Do , Do / e )
（4-24）
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计 二、图算法原理（续） （1）几何参数计算图：
3
（2-92）
短圆筒临界压力：
2.59 Et pcr LDO DO t
2
（2-97）
临界长度Lcr ：
Lcr 1.17Do
Do t
（2-98）
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计 解析法 外压圆筒设计 图算法
过程设备设计
一、解析法求取外压容器许用压力 ①假设筒体的名义厚度δn； ②计算有效厚度δe； ③求出临界长度Lcr，将圆筒的外压计算长度L与Lcr进行 比较，判断圆筒属于长圆筒还是短圆筒；
注 意
4.3.2.4 外压圆筒设计
特点
图4-6
外压或轴向
受压圆筒和 管子几何参 数计算图 （用于所有 材料） εcr
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
（2）厚度计算图（不同材料）：B—A关系曲线 已知 L/Do，Do/δe 查几何算图 （图4-6）
周向应变A（横坐标）
过程设备设计
4.3.2.4 外压圆筒设计
图算法原理
工程设计方法
重 点
主要内容
圆筒轴向许用应力的确定 有关设计参数的规定 加强圈的设计计算
难点
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
复习
p
4.3.2.4 外压圆筒设计
p
p
a
失稳现象
b
c
外载荷达到某一临界值，发生径向挠曲，并迅速 增加，沿周向出现压扁或波纹。 壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力， 用Pcr表示。
临界压力
受周向均匀外压薄壁回转壳体的弹性失稳问题
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
外压圆筒分成三类： 长圆筒 两端的边界影响可以忽略，压瘪时波数 n=2 ，临 界压力Pcr仅与t / Do有关，而与L/Do无关。 两端的边界影响显著，压瘪时波数为 n＞2 的正整 数， Pcr不仅与t / Do有关，而且与L/Do有关。
特点：反复试算
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计
过程设备设计
二、图算法原理（标准规范采用）
难点
假设：圆筒仅受径向均匀外压，而不受轴向外压，与圆环一 样处于单向（周向）应力状态。
3
将式
t pcr 2.2 E D o
2
（2-92）
厚度 t 改为有效 厚度δe，得：
4.3.2.4 外压圆筒设计
4.3.2.4 外压圆筒设计 二、图算法原理（续） 圆筒在Pcr作用下，
பைடு நூலகம்
过程设备设计
产生的周向应力
不论长圆筒或短圆筒，失稳
pcr Do cr 2 e
cr pcr D o cr E 2Ee
代入长圆 筒、短圆 筒临界压 力公式
时周向应变（按单向应力时