压力容器设计外压圆筒的设计计算
5.外压圆筒与封头的设计
2）钢制短圆筒
临界压力公式：
( p 2.59 E
' cr t
e
L为计算长度 从公式看，短圆筒临界压力大小 与何因素有关？ 除了与材料物理性质有关外， 与圆筒的厚径比和长径比均有关。 试验结果证明：短圆筒失稳时 的波数为大于2的整数。
Do L Do
)
2.5
3）刚性圆筒
刚性圆筒——不会因失稳而破坏。 破坏形式是强度破坏，即压缩应力 许用外压力计算公式为：
第五章 外压圆筒与封头的设计
教学重点：
临界压力及外压圆筒的工程设计方法
教学难点：
临界压力
本章主要内容
临界压力★ ★ ★ 外压圆筒的工程设计★ ★ ★
外压球壳与凸形封头的设计★
外压圆筒加强圈的设计★ ★
5.1 概述 5.1.1.外压容器的失稳 失效的方式
对干外压容器来说，失效的方式有两种： 一种因压缩 强度不足 而破坏； 另一种是 失稳 破坏。 所以外压容器的设计包括强度计算和稳定性校 核两个方面。
压力与应力关系
pc Do 2 e
pcr Do t e cr 1.1E 2 e D o
2
长圆筒临界应力：
短圆筒临界应力： 'cr
p 'cr Do 1.3E t 2 e L / D0
e / D0
1.5
结论：影响临界应力的因素：几何尺寸、Et
(2) 在图5-5的左方
找出L／D0 ＝5.7的 点，将其水平右移， 与D0 / δe ＝152的 点交于一点，再将 点下移，在图的下 方得到系数A＝ 0.00011；
(3)在图5-6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 [p]：
压力容器设计外压圆筒的设计计算
本节重点
外压容器设计参数的规定； 设置加强圈的目的及结构要求 。
本 节 完
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由该式建立B与A的关系图
第三节 外压圆筒的设计计算
工程设计方法
外压圆筒 （Do／te）
薄壁圆筒（Do／te≥20）
失稳
Do／te＝20
厚壁圆筒（Do／te＜20）
失稳
强度失效
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
Do/te≥20薄壁筒体，稳定性校核：
c. 由材料选——厚度计算图（图4-12～图4-15）
（b）
A在材料线左方时， ，按(b)式计算许用外压[p]：
系 数 A
设计温度
根据
(a)
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
图算法求解过程
第三节 外压圆筒的设计计算
pc＞[p]——假设tn不合理 ——重设tn，直到满足
pc≤[p]且较接近—— 假设的名义厚度tn合理
容器外部：焊接的总长不小于 筒体外圆周长的1/2
3、加强圈的结构设计
工字钢
其它型钢
常用 型钢
扁钢
角钢
材料：多为碳素钢。 筒体为贵重金属，在筒体外部设置碳素钢加强圈， 节省贵重金属。
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
第四章 外压容器设计
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
特点：反复试算，比较繁琐。
图算法
解析法
外压圆筒设计
第三节 外压圆筒的设计计算
图算法原理：（标准规范采用）
03
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：
外压圆筒的设计计算
试验压力
pT 1.25 p
带夹套外压容器
夹套容器是由内筒和夹套组成的多腔压力容器，各腔的 设计压力通常是不同的，应在图样上分别注明内筒和夹 套的试验压力值。
内筒试验压力
pT 1.25 p
第三节 外压圆筒的设计计算
夹套： 按内压容器确定试验压力。
注意：
在确定了夹套试验压力后，还必须校核内 筒在该试验压力下的稳定性。 如不能满足外压稳定性要求，则在作夹套 的液压试验时，必须同时在内筒保持一定 的压力，以确保夹套试压时内筒的稳定性。
不论长圆筒或短圆筒，失 稳时周向应变（按单向应 力时的虎克定律）为：
cr
cr
E
pcr Do 2Ete
第三节 外压圆筒的设计计算
将长、短圆筒的 pcr公式分别代入应变式中，得
长圆筒
cr
cr
E
1.1 ( Do )2
te
短圆筒
cr
cr
E
1.30 t Do L Do
pi
)max
的规定
无安全装置时：p=0.1Mpa
2、带夹套的真空容器 p取真空容器的设计压力加上夹套压力
3、其它外压容器（包括带夹套的外压容器）
p应不小于容器正常工作过程中可能出现的最大内
外压力差
即：p≥(po-pi)max
注意：最大内外压差的取值
压力试验
不带夹套的外压容器和真空容器
第三节 外压圆筒的设计计算
计算长度
第三节 外压圆筒的设计计算
计算长度：筒体外部或内部两相邻刚性构件之间的最大距 离，通常封头、法兰、加强圈等均可视为刚性构件。
第三节 外压圆筒的设计计算
外压圆筒计算
《外压圆筒计算》原始数据及计算结果表～～～～～～～～～～～～～～设计单位:武汉纽威制药机械有限公司日期:2011.8 共2页第1页━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━序号名称单位符号数值━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━1 设计外压力(输入正值)....................................................... MPa P 0.1 *2 圆筒内直径.............................................................................. mm Di 1400 *3 设计温度................................................................................... ℃t 120 *4 计算外压力见3.4.4说明(同设计外压力输入0).............. MPa Pc 0 *5 名义厚度(自动计算输入0)............................................... mm δn 0 *6 筒体厚度腐蚀裕量.................................................................. mm C 0 *7 筒体长度(不计封头).............................................................. mm L1 1800 *8 凸形封头曲面深度(标准椭圆形输入0)............................ mm hi 0 *9 凸形封头直边高度(自动计算输入0)................................ mm H0 0 *10 筒体上有无加强圈代号：1..无加强圈；2..有加强圈；选择1~2，A12，1(无加强圈) *11 筒体厚度负偏差(自动查询输入0)..................................... mm C 0 *12 筒体计算长度(图6-1的L 两端封头相同输入0).............. mm L 1297 *13 请选择筒体查系数B 的曲线图代号1~~8 (代码).... CH 8(图6-10) *14 筒体材料................................................................... *(钢板)00Cr17Ni14Mo2 GB 423715 设计温度下筒体材料的许用应力(60mm；120℃)................. MPa 117.6416 设计温度下筒体材料的屈 限(60mm；120℃)..................... MPa σ 139.617 筒体材料类型代号(1为钢板；2为钢管) ................................. LX1 . 118 确定的计算压力........................................................................ MPa Pc .119 采用的封头曲面深度 ................................................................ mm hi 35020 采用的封头直边高度JB/T 4746-2002 ..................................... mm H0 2521 无加强圈时筒体的计算长度(输入的) .................................... mm L 129722 自动计算的初始厚度 ................................................................ mm δo 3.523 重算时的筒体厚度.................................................................... mm δo 524 设计温度下筒体材料的许用应力(5mm；120℃)...................... MPa 117.6425 设计温度下筒体材料的屈 限(5mm；120℃).......................... MPa σ 139.626 查询负偏差按GB 709-88 ......................................................... mm FP .427 采用的筒体厚度负偏差............................................................. mm C .428 筒体厚度附加量C=C +C ................................................ mm C .429 筒体外径.................................................................................... mm Do 141030 筒体的有效厚度...................................................................... mm δe 4.631 GB 150-1998 P30图6-2纵轴值L/Do ..................................... MM .919858232 GB 150-1998 P30图6-2曲线值Do/δe ................................... NN 306.521733 依MM、NN查GB 150-1998 P30图6-2求得的系数A ........ . A 2.737663E-0434 设计温度下筒体材料的弹性模量(按图6-3~6-10) ................... MPa E 187468.635 查GB 150-1998 曲线图6-10 计算的系数B .......................... MPa B 34.1892736 许用外压力(Do/δe>=20)GB 150-1998 P29式6-1 ................... MPa P .111539537 自动计算的设计厚度含附加量............................................... mm δn2 4.875设计单位:武汉纽威制药机械有限公司日期:2011.8 共2页第2页━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━序号名称单位符号数值━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━38 筒体厚度附加量C=C +C ............................................. mm C .439 输入圆整的筒体的名义厚度................................................... mm δn 540 自动计算圆整的筒体名义厚度............................................ mm δn 541 许用外压力与计算外压力之比 P /Pc ............................. 倍ΔP1 1.11539542 外压圆筒计算通过通过43 圆筒质量(不含封头) ............................................................... kg Tz 311.844744 外压圆筒计算结束。
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）
2021/4/13
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
2021/4/13
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。
2021/4/13
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）
外压容器的图算法(精)
[ p] 0.0833 E(
e
Ro
)
2
（5）比较：若[p]≥Pc，则以上假设的壁厚满足要 求，否则重新假设，重复以上步骤，直至[P]大于并接 近Pc为止。
【例题】
确定一外压圆筒的壁厚，如图所示。已 知：设计压力 p 0.2MPa ， Di 1800mm ，设 t 250 C ，取壁厚附加量C=2mm， 计温度 材料Q345R。取 pc p 0.2MPa
hi
hi / 3 L
L 10350
hi / 3 L
【例题】
解：（1）假设名义厚度
n 14mm
e n C 12mm
D0 Di 2 n 1800 2 14 1828 mm
L 10350 / 3 3450 mm
L / D0 3450/ 1828 1.9
p B
e
D0
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[p]，即
e 2 p EA 3 D0
n
一、外压圆筒的图算法
（5）比较：若[P]≥Pc，则以上假设的满足要求， 否则须重新假设名义厚度，重复上述步骤，直至[P] 大于并接近Pc为止。
二、外压封头的图算法
D0 / e 1828/ 12 152
【例题】
解： （2）由图1-134查得A=0.00035； （3）由图1-136可知A=0.00035，落在 250 C 线(插值)直线段,所以
1.86 1.69 E 10 5 1.775 10 5 MPa 2
【例题】
2 2 B EA 1.775 10 5 0.00035 41.42 MPa 3 3 (或从图中直接查取B值)
外压圆筒计算中的系数b的含义
外压圆筒计算中的系数b的含义摘要：一、coefficient b 的定义与作用二、外压圆筒计算中的coefficient b 的重要性三、如何正确使用coefficient b 进行外压圆筒计算四、总结正文：一、coefficient b 的定义与作用在工程领域，尤其是压力容器设计中，外压圆筒的计算是一项重要的工作。
在这个计算过程中，coefficient b 是一个关键的参数，它表示了圆筒壁在受到外部压力时的变形能力。
换句话说，coefficient b 描述了圆筒壁在压力作用下的弯曲程度，这个系数的大小直接影响到压力容器的安全性能。
二、外压圆筒计算中的coefficient b 的重要性在压力容器设计中，coefficient b 是一个不可或缺的参数。
它是根据材料的弹性模量、厚度等因素计算得出的，能够反映圆筒壁在受到外部压力时的应力分布情况。
正确地确定coefficient b，可以确保压力容器在正常使用过程中不会出现过度变形、破裂等安全隐患。
此外，coefficient b 还可以用于评估压力容器的稳定性。
在压力作用下，如果coefficient b 过大，说明圆筒壁的弯曲程度过大，可能导致结构的失稳；反之，如果coefficient b 过小，圆筒壁的变形能力不足，也可能引发安全隐患。
三、如何正确使用coefficient b 进行外压圆筒计算在使用coefficient b 进行外压圆筒计算时，需要注意以下几点：1.确定材料的弹性模量和厚度：这是计算coefficient b 的基本参数，直接影响到计算结果的准确性。
2.选择合适的计算方法：根据压力容器的使用条件和设计要求，选择合适的计算方法，如弹性理论、塑性理论等。
3.分析计算结果：仔细分析计算结果，判断coefficient b 是否在合理范围内，以确保压力容器的安全性能。
4.与其他设计参数相结合：coefficient b 只是外压圆筒计算中的一个参数，还需要与其他设计参数（如厚度、强度等）相结合，进行全面的设计分析。
外压容器计算
钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数 ф＝
过程设备强度设计书
计算单位
MPa ºC
mm mm
中国轻工业武汉设计工程有限责任公司 椭圆封头简图
MPa MPa
MPa
mm mm
厚度及重量计算
计算厚度
有效厚度 最小厚度 名义厚度 结论
e n C1 C2 min n 满足最小厚度要求
2 e
校核条件
T T
校核结果
许用外压力 结论：
p B
D0 e 合格
压力及应力计算
合格
mm mm mm
kg
MPa MPa MPa
外压碟形封头计算 计算条件
计算压力 pc 设计温度 t 内径 Di 曲面高度 hi 材料
试验温度许用应力
设计温度许用应力 t
外压内圆筒计算 计算条件
计算压力 pc
设计温度 t= 内径 D i= 材料
试验温度许用应力
过程设备强度设计书
计算单位
中国轻工业武汉设计工程有限责任公司
筒体简图
MPa
ºC mm
MPa
设计温度许用应力 t
MPa
试验温度下屈服点 s
MPa
钢板负偏差 C1
mm
腐蚀裕量 C2
mm
焊接接头系数 ф＝
厚度及重量计算
计算厚度
有效厚度 名义厚度 结论
e n C1 C2 δn = 满足最小厚度要求
重量
压力试验时应力校核
压力试验类型
液压试验
试验压力值
pT 1.25pc
压力试验允许通过的应力水平 T T 0.90 s
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pcr Do 2te
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：
不论长圆筒或短圆筒，失 稳时周向应变（按单向应 力时的虎克定律）为：
? cr
? ? cr
E
?
pcr Do 2 Et e
第三节 外压圆筒的设计计算
将长、短圆筒的 pcr公式分别代入应变式中，得
长圆筒
? cr
?
? cr
工程设计方法
第三节 外压圆筒的设计计算
外压圆筒 （Do／te）
薄壁圆筒（Do／te≥20） Do／te＝20
厚壁圆筒（Do／te＜20）
失稳 失稳 强度失效
Do/te≥20薄壁筒体，稳定性校核：
第三节 外压圆筒的设计计算
a. 假设名义厚度tn，令te=tn-C，算出L/Do和Do/te；
b. 以L/Do、Do/te值由图4-11查取A值（遇中间插值），若 L/Do值大于50，则用L/Do=50查图；若L/Do值小于0.05， 则用L/Do=0.05查图
3、加强圈的结构设计
第三节 外压圆筒的设计计算
扁钢
常用 角钢 型钢
工字钢 其它型钢
设置 位置
容器内部：焊接总长不小于 筒体内圆周长的1/3
容器外部：焊接的总长不小于 筒体外圆周长的1/2
材料：多为碳素钢。 筒体为贵重金属，在筒体外部设置碳素钢加强圈， 节省贵重金属。
第三节 外压圆筒的设计计算
加强圈的形式及连接结构
四、设计参数 的规定
试验压力
pT ? 1.25p
带夹套外压容器
夹套容器是由内筒和夹套组成的多腔压力容器，各腔的 设计压力通常是不同的，应在图样上分别注明内筒和夹 套的试验压力值。
内筒试验压力
pT ? 1.25 p
第三节 外压圆筒的设计计算
夹套： 按内压容器确定试验压力。
注意： 在确定了夹套试验压力后，还必须校核内 筒在该试验压力下的稳定性。 如不能满足外压稳定性要求，则在作夹套 的液压试验时，必须同时在内筒保持一定 的压力，以确保夹套试压时内筒的稳定性。
临界压力pcr，稳定性安全系数m，许用外压力[p]，
故
pcr=m[ p]
?cr
? ? cr
E
?
pcr Do 2Ete
?cr
?
m[ p]Do 2Ete
即
Do[ p] ? te
2 m
E?
cr
第三节 外压圆筒的设计计算
令 B= [ p]Do ，GB150取m=3，代入上式得： te
B?
2 3
E ? cr
E
?Hale Waihona Puke 1.1 ( Do )2te
短圆筒
? ? ?cr
? ? cr
E
? 1.30 t Do L Do
1.5
?cr ? f (L / Do , Do / te )
第三节 外压圆筒的设计计算
（1）几何参数计算图：L/Do-Do/te-A关系曲线
令A=εcr，以A作为横坐标，L/Do作为纵坐标，
Do /te作为参量绘成曲线；见图4-11 长圆筒——与纵坐标平行的直线簇，失稳时
c. 由材料选——厚度计算图（图4-12～图4-15）
第三节 外压圆筒的设计计算
根 系 数A 据 设计温度
B 按(a)式计算许用外压[p]
温度对应的曲线在 图上没有时，插值
?p?? B
(a)
Do te
A在材料线左方时，B ? 2 AE ，按(b)式计算许用外压
[p]：
3
?p??
2 AE
3?Do te ?
加强圈的间距
加强圈设计
截面尺寸 结构设计
第三节 外压圆筒的设计计算
1、加强圈的间距 设置加强圈，必须使其属于短圆筒才有实际作用。 加强圈数量增多，Lmax值减小，筒体厚度减薄；反 之，筒体厚度须增加。
2、加强圈截面尺寸的确定 目 的： 增强筒壁截面的抗弯曲能力
方法思路： 通过增加截面惯性矩 J 来提高筒壁截面的抗 弯曲能力，满足 J s大于并接近J
四、设计参数 的规定
无安全装置时： p=0.1Mpa
2、带夹套的真空容器 p取真空容器的设计压力加上夹套压力
3、其它外压容器（包括带夹套的外压容器）
p应不小于容器正常工作过程中可能出现的最大内
外压力差
即：p≥(po-pi)max
注意：最大内外压差的取值
压力试验
不带夹套的外压容器和真空容器
第三节 外压圆筒的设计计算
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/te都有关。 与材料弹性模量E无关，对任何钢材的筒体都适用。
第三节 外压圆筒的设计计算
（2）厚度计算图（不同材料）： B-A关系曲线
由L/Do，Do/te—查—图4-11——周向应变A——找出A与 pcr的关系——判定筒体在操作外压力下是否安全。
第四章 外压容器设计
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
特点：反复试算，比较 繁琐。
解析法
外压圆筒设计 图算法
图算法原理：（标准规范采用）
第三节 外压圆筒的设计计算
p cr
?
2
.2
E
????
t D
o
????3
（4-8）
pcr
?
2.59Et 2 LDo Do
t
（4-15）
? cr
?
加强圈两侧的间断焊缝可错开或并排，但焊缝之间 的最大间隙对外加强圈为8δn，对内加强圈12δn（δn为 筒体的名义厚度）。
3、加强圈的结构设计（续）
第三节 外压圆筒的设计计算
要求：
# 加强圈应整圈围绕在筒体的圆周上，不许任意 削弱或割断。
（b）
第三节 外压圆筒的设计计算
图算法求解过程
第三节 外压圆筒的设计计算
pc≤[ p]且较接近—— 假设的名义厚度tn合理 d. pc＞[p]——假设tn不合理 ——重设tn，直到满足
第三节 外压圆筒的设计计算
设计压力
1、真空容器 有安全装置时：
p
?
?1.25( min?
po
?
pi )max
?0.1MPa
计算长度
第三节 外压圆筒的设计计算
计算长度：筒体外部或内部两相邻刚性构件之间的最大距 离，通常封头、法兰、加强圈等均可视为刚性构件。
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
第三节 外压圆筒的设计计算
加强圈的设计计算
目的
将度长、圆提筒高转筒pcr化体?为稳L短定2D.圆性o59筒。DE，to2t可以有效地减小筒体厚
?
2 3
?
cr
由该式建立B与A的关系图
＃以A和B为坐标轴的厚度计算图，以σ－ε为基础，图4-
12～图4-15为几种常用钢材的厚度计算图。温度不同，
曲线不同；
＃直线部分表示材料处于弹性，属于弹性失稳， B与A成
正比，由A查B时，若与曲线不相交，则属于弹性失稳，
可由
B ? 2 EA ，求取B。 3
B ? [ p]Do t