外压容器设计
外压容器设计参数的确定.
外压容器的其他设计参数，如设计温度、 焊接接头系数、许用应力等与内压容器相同
二、外压容器的压力试验参数
外压容器和内压容器一样，在制成或经长期 使用检修以后，必须进行耐压试验，试验合格后 方可投入运行。不合格须补焊后再试验。 液压试验时的试验压力： 气压试验时的试验压力：
pT 1.25 p
pT 1.1 p
职业教育应用化工技术专业教学资源库《化工设备认知与制图》课程
外压容器设计参数的确定
吉林工业职业技术学院
一、外压容器设计参数的确定
对于外压容器而言，计算外压力Pc是 确定受压元件厚度的依据。 因此：计算压力Pc正常工作过程中 可能产生的最大内外压差。
一、外压容器设计参数的确定
真空容器：有安全装置，设计压力取1.25 倍最大内外压差或0.1MPa中的较小值；无安 全装置，取0.1MPa。在以上基础上考虑相应 的液柱静压力，可得计算外压力Pc 。 夹套容器：其计算外压力应考虑各室之 间的最大压力差。
外压容器的设计计算
外压容器的设计计算外压容器是一种用于储存或输送气体、液体或粉状物料的设备，设计计算是确保容器在正常工作条件下能够承受外部压力的重要环节。
下面将从容器的负荷计算、材料选择和结构强度校核等方面进行详细介绍。
首先，容器的负荷计算是设计计算的关键步骤之一、负荷可分为静止负荷和动载荷两部分。
静止负荷包括容器本身的重量、储存物的重量以及设备上附件的负荷；动载荷包括地震力、风荷载等。
针对每个负荷的特点，需要采用相应的计算方法进行计算。
静止负荷的计算可以使用强度、稳定性和刚度等方面的计算方法，而动载荷则可以使用动力学和模态分析方法。
接下来，材料选择是外压容器设计中的另一个重要考虑因素。
一般而言，常用的材料包括钢材、不锈钢和复合材料等。
在材料选择中，需要考虑材料的强度、刚度、耐腐蚀性、可焊性、可加工性等因素。
根据容器的具体工作条件和介质特性，可以选择合适的材料。
然后，容器的结构强度校核是设计计算中最关键的一步。
容器的结构强度主要包括轴向强度、环向强度和承压壳体强度三个方面。
轴向强度是指容器在轴向受力状态下的承载能力，一般计算采用拉伸强度和挤压强度的计算方法。
环向强度是指容器在环向受力状态下的承载能力，计算时采用圈接强度和薄壁圆筒强度的计算方法。
承压壳体强度是指容器在由于外压而受到的承载能力，计算时采用塑性分析和有限元分析方法。
此外，容器的设计还需要满足相应的安全要求。
例如，容器需要满足静态不破坏条件和动态不破坏条件，防止容器发生破裂，对人身和财产造成伤害。
同时，容器还需要满足泄漏要求，确保储存物料的安全。
容器的设计还需要满足相关的法律法规和标准要求，如ASME（美国机械工程师学会）标准。
综上所述，外压容器的设计计算是确保容器在正常工作条件下能够承受外部压力的关键环节。
其中包括负荷计算、材料选择和结构强度校核等方面。
通过科学合理的设计计算，可以保证容器的安全性和可靠性，提高容器的使用寿命，为工业制造提供可靠的储存和输送设备。
过程设备设计-外压容器设计
（2）文教政策有鲜明政治性，服务政治、德育 （人伦道德教育）为重。 （3）重视官学（主要是大学），容纳私学，形成 一定的互补性。
（4）学校教育与取士选官制度的合一。
（5）贯穿学校、家庭、社会教育三者并重的精神。
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：
E e nl R n 1 1 R
2 2
Pcr
2
e 3 2 E 2n 2 1 ( ) n 1 2 2 12 1 R nl 1 R
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
3 凸形封头的弹形失稳分
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。
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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11
三、加强圈的设计计算
二、加强圈尺寸
参数A、B
cr
A
Pcr Do 2Ete
(4 - 26)
式中te为圆筒在设置加强圈后的等效壁厚
38
三、加强圈图算法的基本步骤
(1)设定加强圈个数n,计算加强圈间距Ls=L/(n-1)
(2)选定加强圈（扁钢、角钢或工字钢）， 计算B，
(3)由B查A，若交不到，计算A
▪ 有一个圆筒容器，材料为20R，E 2105 MPa ▪ 圆筒内径D2=1000mm,壁厚S=10mm，长度
为20m，常温操作，承受均匀气体外压力， 求： ▪ 1、当圆筒椭圆度为0.2%时的临界压力； ▪ 2、当圆筒长度改为2m时重新计算。
52
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三、外压法兰的计算
外压法兰仍利用Water 对内压法兰建立的 应力公式进行计算。
在预紧情况下，外压法兰与内压法兰的力 矩计算相同；
在操作状态下，因流体轴向静压力的方向 与内压时相反，升压时螺栓力降低，垫片反 力反而增加，故可以假定W＝0，P3＝P1＋P2
45
三、外压法兰的计算
46
三、外压法兰的计算
m
“ 设计规定”稳定性系数m＝3，此时要求了圆筒的 不圆度e
16
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 二、受均布侧向外压短圆筒的临界压力 三、轴向受压圆筒的临界应力
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一、受均布侧向外压的长圆筒的临界压力
基本概念：长圆筒与短圆筒 当圆筒的长度与直径之比较大时，其中间部
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第三节 外压圆筒的设计计算
一、解析法 二、图算法
30
第三节 外压圆筒的设计计算
一、解析法 基本原则：
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
外压容器设计
外压容器设计一、外压容器的稳定性1、外压容器的稳定性概念外压容器的失效形式 强度不足 破裂刚度不足 失稳2、临界压力（1）临界压力（ P 临）:导致筒体失稳时的外压。
临界压应力（σ临）：筒体在P 临作用下筒体内存在 的环向应力。
(2)许用压应力为保证外压容器的使用安全，设计压力应当满足如下条件：∴ P 临≥mP P 临≥3P (3)影响临界压力的因素①P 临与筒体尺寸的关系(i)当L/D 相同时，S/D 抗弯曲 P 临 (ii)当S/D 相同时，L/D 圆筒越短 P 临L/D 圆筒越长 P 临 短圆筒：能得到封头支撑作用的圆筒长圆筒：得不到封头支撑作用的圆筒∴ S/D 相同时，短圆筒的P 临高（iii ）当S/D 、 L/D 都相同时，有加强圈者P 临高② P 临与材料性质的关系因圆筒体失稳时，其压应力并没达到材料的屈服极限，说明P 临与材料的屈服极限无直接关系。
而材料的弹性模量E 对E —抗变形能力， P 临各种材料的E 值相差不大,所以采用高强度钢代替一般碳钢制造外压容器并不能提高圆筒的P 临，相反还增加了容器的成本。
材料的组织不均匀性合同体的不圆度将使P 临下降。
][P m P p =≤临二、外压容器的设计1、理论公式计算法（1）壁厚的计算钢制长圆 : 钢制短圆筒： 将P 临≥3P 代入可得1)钢制长圆筒： mm2)钢制短圆筒: mm3)刚性圆筒一般：S L 的圆筒叫刚性圆筒一般不存在失稳，因此只考虑强度即可（2）临界长度 L 临当短圆筒的长度大到某一临界值L 临时，封头对筒体的支撑作用将完全消失，这时短圆筒的P 临将下降到长圆筒的P 临，即：解得： 为区别长短圆筒的临界长度 当 L< L 临时, 为短圆筒L>L 临时，为长圆筒(3)用理论公式设计的步骤①设理论壁厚为S 。
，并选定材料②计算L 临③比较确定圆筒类型L 与L 临，确定圆筒类型④根据圆筒类型计算P 临⑤计算许用应力[P]= P 临/3比较:设计压力P 与P 临若P ≤[P],且接近，假设的S 。
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（p cr ）。
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p cr 值也越大；L /D 的值越大，圆筒刚度越小，临界压力p cr 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p cr ，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[]3cr p p ≤。
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。
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设计计算步骤：对于
Do
e
≥10 的圆筒：
（1）假设 n ，令 e n C1 C2 ； （2）计算出 L
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临界应变与材料的E没有关系，仅是筒体几何尺 寸的函数； 建立的临界压应变与L/Do，Do/Se的函数关系， 是以于勃莱斯公式和拉默公式为基础的。因此， 只适用于仅存在周向应力、不存在轴向应力的 情况。 一旦建立了图形，则适用于不同的材料。 如果在弹性范围内，就可用公式（5）（6）， 计算，否则需要查图计算。
2
（1）
圆筒在临界压力的作用下，所产生的周向应力 长圆筒： cr （2 ）
e / Do 1.5 短圆筒： cr 1.3E （3） L Do
以上公式仅在临界应力小于 p 时才成立。
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② 计算图的绘制
注意： 曲线图中的D用外径D0 代替。 cr 横坐标 E 用字母A代替。 S0以 o 代替。
L D 绘制 ＝f , 关系图 D S0
D0
，
D0
e ；查ε ＝A。
（3）根据所用材料及设计温度查 B。 若 A 值落在材料温度线左方， B 值查不到， 必须按公式计算： B （4）按照公式 [ p] B
2 EA 3
，求出[P]；
e
Do
（5）比较 P 与[P]，应使[P]略大于 P， 否则必须再设 n ，重复上述步骤。
Do [ P]
e
2 E cr （10）此处 m 为 3 m Do [ P] B 2 cr ， 3
为了查图更加方便，令
e
把材料的 曲线改为 B—A 曲线， 根据 A 的值直接查得Ｂ，则有：
[ p] B
e
Do
（11）
弹性范围内采用 B
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2 EA 计算，结果更准确。 3
图3-1 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）
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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。
计算临界长度，判断长、短圆筒，然后再进 行计算临界压力，与设计压力进行比较，是 一个非常复杂的试算过程。
弹性范围内。
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1 外压圆筒图算法原理
为了避免解析法设计的不足，各国均推荐
采用图算法。 图算法是工程设计中常用的方法，它适用 于弹性及弹塑性失稳设计。图解法是以勃 莱斯公式和拉默公式为基础的。
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将长圆筒转化为短圆筒，或者减少短圆筒的计
算长度，目的是提高临界压力，有效地减少壁 厚，提高稳定性； 设计主要是确定加强圈的间距、截面尺寸及结 构设计。 间距就是保证必须将其转换为短圆筒，注意增 加加强圈后的计算长度的计算；
为了避开E值，其在塑性状态下为变值。
为了解决非弹性失稳时临界应力的计算， 取E
，此处的 E 为广义弹性模量。
e Do
2
长圆筒： cr 1.1
（7）
e / Do 1.5 短圆筒： cr 1.3 L Do
（8）
图 6 材料的应力—应变曲线
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（1）临界压力计算
te 长圆筒公式： Pcr 2.2 E D 0
3
短圆筒公式： Pcr
L
Do 0.45 e / Do
2.5
2.59E e / Do
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图 9 每个加强圈所承受的载荷
图 10 角钢与筒体有效段则成的刚性较大的圆环
ห้องสมุดไป่ตู้
装有加强圈的筒体，受外压作用时，作用在加强 圈两侧各L/2 的外压力由何物承担？
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把加强圈视为一个受外压的圆环，其抗弯刚度 EIs。 其单位周长临界压力 qcr，则根据理论推导有：
但是我国钢制容器设计规定：m＝14.52， 又想使用 B—A 曲线，怎么办？可以采用 按照比例减少 A 的办法来实现减少查得的Ｂ值；
2 cr ，减少多少？ 所以要是查得的 B 14.52
2 e 2 令B R0 EA 则： [ p] EA ， e 3 3R0 [ p] 0.125 则根据公式(12)得出： A ， Ri e
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（3）外压锥形封头
1、对于60的外压锥形封头， 按承受外压的等效圆柱形筒体 计算。 2、>60的外压锥形封头按平 板封头计算。
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Pcr Do mPDo D L ① cr A ， ～f , o e Do 2E e 2E e
将其绘制如图，可以很方便地查出临界应变，即 A 的值。 A 曲线的由来。
第四节 外压容器的设计
主要内容：
外压圆筒图算法原理 外压封头的计算 真空容器加强圈的计算 例题
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关于外压容器临界压力计算
圆筒的类型； 不同类型圆筒的临界压力计算公式不同。
解析法求解需用应力，首先假设名义壁厚，
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图 11 用角钢作加强圈时的两种不同的安装方式
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（2）加强圈所需最小截面惯性矩的计算
2
2
cr
Pcr R0 0.605E e 2 e R0
cr 0.605
[ P]
e
R0
Pcr 2 2 2 = cr E e ，令 Bs cr E cr m ms ms ms R0
如果 M=3，则可以像圆筒一样计算；
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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。
（3）许用外压的确定，此为外压计算的目的。
工程实际中： ①长圆筒或者管子存在椭圆度，一般压力达到1/3~1/2临界压 力就会被压瘪； ②在操作时由于操作条件的破坏，壳体实际承受的压力会比计 算的压力大。
m值根据我国设计规定取为3.0。
Pcr P m
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②将材料的 曲线改为 因为： cr
2 ， 3
Pcr Do m[ P]Do 整理可得： 2 E e 2 E e
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图算法的基本步骤与外压筒体相似： （1）假设 n ，令 e n C1 C2 ； （2）计算 A 的值。 （3）根据材料及设计温度查 B。 若 A 值落在材料温度线左方，则 B 值必须按公式计算：
2.5 0.5
2.59E e / Do 常常写为： Pcr L Do
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（2）临界应力计算
cr
Pcr Do 2 e
e 1.1E D o
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