过程设备设计-外压容器设计1概论
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（pcr）。
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pcr值也越大；L/D的值越大，圆筒刚度越小，临界压力pcr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pcr，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。
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。
从理论上说，计算长度的选取应是判断在该圆筒长度的两端能否保持足够的约束，使其真正能起支撑线的作用，从而在圆筒失稳时仍能保持圆形，不致被压塌。
《过程设备设计》第二版(郑津洋,董其伍,桑芝富) 课后习题答案 化学工业出版社
思考题参考答案第1章压力容器导言思考题1.1我国《压力容器安全技术监察规程》根据整体危害水平对压力容器进行分类。
压力容器破裂爆炸时产生的危害愈大，对压力容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也愈高。
设计压力容器时，依据化学介质的最高容许浓度，我国将化学介质分为极度危害（Ⅰ级）、高度危害（Ⅱ级）、中度危害（Ⅲ级）、轻度危害（Ⅳ级）等四个级别。
介质毒性程度愈高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重。
压力容器盛装的易燃介质主要指易燃气体或液化气体，盛装易燃介质的压力容器发生泄漏或爆炸时，往往会引起火灾或二次爆炸，造成更为严重的财产损失和人员伤亡。
因此，品种相同、压力与乘积大小相等的压力容器，其盛装介质的易燃特性和毒性程度愈高，则其潜在的危害也愈大，相应地，对其设计、制造、使用和管理也提出了更加严格的要求。
例如，Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器制造时，碳素钢和低合金板应逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A、B类焊接接头还应进行100％射线或超声检测，且液压试验合格后还应进行气密性试验。
而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。
又如，易燃介质压力容器的所有焊缝均应采用全熔透结构思考题1.2筒体：压力容器用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间，是压力容器的最主要的受压元件之一；封头：有效保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量；密封装置：密封装置的可靠性很大程度上决定了压力容器能否正常、安全地运行；开孔与接管：在压力容器的筒体或者封头上开设各种大小的孔或者安装接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪等接管开孔，是为了工艺要求和检修的需要。
支座：压力容器靠支座支承并固定在基础上。
安全附件：保证压力容器的安全使用和工艺过程的正常进行。
思考题1.3《压力容器安全技术监察规程》依据整体危害水平对压力容器进行分类，若压力容器发生事故时的危害性越高，则需要进行安全技术监督和管理的力度越大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也越高。
第9章 外压容器设计
2 注意： B E 只适用于 弹 性 变 形 阶 段 3
9.2 外压薄壁圆筒的厚度设计
二、轴向受压圆筒的稳定性计算
仅轴向受压的圆筒, 在弹性段内的稳定许用应力, 在工程设计中可用下 列公式计算:
cr
0.06 E e m Ri Ri
(3)稳定系数m 稳定系数m 的确定与所用公式的精确程度、制造技术所能保证的质 量(如形状公差)、焊缝结构形式等因素有关。如果所取m 太小, 会对 制造要求过高; 而m 取得太大则将使设备笨重, 造成浪费。综合考虑 上述种种因素, 我国有关标准规定取m = 3。但当筒体制造完毕时的 椭圆度e> 0 .5% DN( DN 为筒体的公称直径) , 且大于25mm 时, 其初
例15-1 减压塔稳定性的校核。
ec = nc C cos
再以锥体的当量长度Le (图15-9) 作为计算长度, 并以Le/DL代替L/Do , DL/ δec 代替Do/δe , 然后按上述算图进行计算。 无折边锥壳或锥壳上相邻两加强圈之间锥壳段(图15-9(a) 和(d))的当量 长度为:
Le = Lx 2 Ds 1 D L
9.1 概述
9.2 外压薄壁圆筒的厚度设计
受外压的圆筒, 有的仅横向均匀受压, 有的则横向和轴向同时均匀受压, 但失稳破坏总是在横断面内发生, 也即失稳破坏主要为环向应力及其变 形所控制。因此本章主要讨论薄壁圆筒在横向受均布外压时的厚度设 计计算方法。 计算外压圆筒的厚度时, 一般要先假定一个名义厚度δn (已圆整至钢板 厚度规格) , 经反复计算校核后才能完成, 工程设计也常常采用算图来简 化计算过程, 下面分别介绍解析法和图算法。
Ri —圆筒的内半径, mm。 在弹性与塑性转折段, 也可应用B-A算图, 对于轴向受压缩圆筒规定: B = [σcr] , 代入式(15-12 ), 则有：
第十六章外压容器设计
2 将B EA与 p 带入得到 3
2
e
e A 0.125 R0
第十六章外压容器设计
二、外压锥壳
ec nc C cos
无折边锥壳或锥壳上相邻两 加强圈之间锥壳段的当量长 度Le按式
Lx Ds Le 1 2 DL
e1、临界长度来自Lcr 1.17 Do
Do
e
1)定义: 容器在外压作用下，与临界压力相对应 的长度，称为临界长度 。 2)作用: 用临界长度可作为长、短圆筒和刚性 圆筒的区分界限。
Lcr
Lcr
刚性圆筒
第十六章外压容器设计
短圆筒
长圆筒
从长圆筒临界压力公式可得相应的 临界应力与临界应变公式 临界压力 临界应力 应变
e pcr 2.2 E D0 2. 5 t e / D0 pcr 2.59 E L / D0
t
3
在临界压力作用下，筒壁产生相应的应力及应变即
第十六章外压容器设计
L f( , ) e D0
令 A=ε ， 以A作为横坐标，L/Do作为纵坐标，
临界压力 Pcr
壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力。
临界压应力 cr
壳体在临界压力作用下，壳体内存在的压应 力称为临界压应力。
第十六章外压容器设计
影响临界压力的因素
1、筒体几何尺寸的影响
表 5-1 外压圆筒稳定性实验
实验 筒径 筒长 筒体中间有 序号 D(mm) L(mm) 无加强圈
① ② ③ ④ 90 90 90 90 175 175 350 350 无 无 无 有一个
第十六章外压容器设计
过程设备设计-外压容器的设计
2.若在筒体外部设置 9个加强圈，截面尺寸90x20 mm,材料Q235，此时塔的厚度及加强圈尺寸是否 合理（图算法）；
3.如端盖取与塔体相同壁厚是否合适。
补充题：
1有一减压塔，圆筒内径6400, 长15m, 两端为半球形封 头，尺寸如图示。操作温度为420℃，操作压力为 0.005MPa (绝对压力）。试计算：（1）不用加强圈 时所需筒体的壁厚；（2）每隔2米装设一个加强圈时， 所需筒体的壁厚；（3) 所需加强圈的尺寸；(4) 求球 形封头的壁厚。 （筒体的壁厚附加量C=4mm, 两端封头的壁厚附加量 C=5.5mm） 2 用Q235 钢制造一外压容器，已知外径D0=2024mm， 筒体的计算长度为2500mm，在室温下操作，最大压 力差为0.15MPa，试问有效厚度为12mm时操作是否 安全？（用解析法和图算法分别计算。）
（1）半球形封头
(3)受外压的碟形封头
（4）受外压的锥壳
八、外压容器试验压力
1、外压容器和真空容器
2、夹套容器
例题：已知一减压塔的内径为2400 mm,筒体长度 23520 mm。其端盖为椭圆形，直边高度 40mm,长 短轴的比值Di/2hi=2,减压塔的真空度为 300 mmHg，设计温度150℃。塔体的材料为 Q235,塔 体壁厚取10mm,壁厚附加量C=2mm。试校核：
第五章 外压容器设计
1、概述
Байду номын сангаас
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
外压容器概要PPT课件
29
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三、外压圆筒的试压
外压容器和真空容器以内压进行压力试验。
试验压力 液压试验 pT =1.25p
气压试验 pT =1.15p
p 设 计 压 力 ，MPa； pT 试 验 压 力 ，MPa
30
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第四节 外压球壳与凸形封头的设计
一、外压球壳和球形封头的设计 二、凸面受压封头的设计 学生课后自学
(3)在图5—9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，故利用5－12式确定[p]：
2AE t 2 0.00011168.4103
[ p]
0.0899(MPa)
3D0 / e
3152
显然[p] < p，故须重新假设壁厚δn或设置加强圈。现按设
两个加强圈进行计算(仍取δn ＝14mm)。
支持作用，弹性失稳时形成n=2的波数，这种圆筒称为长圆筒，长圆筒的临界压 力与长度无关，仅与圆筒厚与直径的比值有关。
pcr
2.2E
e
D0
3
6
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（2）短圆筒（short cylinders）
pcr
2.59 E
e / D0 2.5
L / D0
pcr与材料、 e / D0有关 与L / D0 有关
15
第15页/共38页
解： 1、确定计算长度L
1 L 6000 500 2 6340mm
3
2、有效厚度δe分别为7.2、10.2、12.2 当δe＝7.2mm时
查图1-66，得
A=0.000082
查B值,A值所在点落在材料温度线的左方，故
3、比较[P]<0.1MPa，所以9m1m6钢板不能用。
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。
15
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
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2.若在筒体外部设置9个加强圈，截面尺寸90x20 mm,材料Q235，此时塔的厚度及加强圈尺寸是否 合理（图算法）；
3.如端盖取与塔体相同壁厚是否合适。
补充题：
1有一减压塔，圆筒内径6400, 长15m, 两端为半球形封 头，尺寸如图示。操作温度为420℃，操作压力为 0.005MPa (绝对压力）。试计算：（1）不用加强圈 时所需筒体的壁厚；（2）每隔2米装设一个加强圈时， 所需筒体的壁厚；（3) 所需加强圈的尺寸；(4) 求球 形封头的壁厚。 （筒体的壁厚附加量C=4mm, 两端封头的壁厚附加量 C=5.5mm）
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：
Pcr R
n2
1
Ee
1
nl
R
2
2
12
E
1 2
(
e
)3
R
n2
1
2n2 1
1
nl
R
2
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Leabharlann 3 凸形封头的弹形失稳分析
4、外压圆筒的设计
七、外压封头的设计
（1）半球形封头
(3)受外压的碟形封头
（4）受外压的锥壳
八、外压容器试验压力
1、外压容器和真空容器
2、夹套容器
例题：已知一减压塔的内径为2400 mm,筒体长度 23520 mm。其端盖为椭圆形，直边高度 40mm,长 短轴的比值Di/2hi=2,减压塔的真空度为 300 mmHg，设计温度150℃。塔体的材料为 Q235,塔 体壁厚取10mm,壁厚附加量C=2mm。试校核：
2 用Q235 钢制造一外压容器，已知外径D0=2024mm， 筒体的计算长度为2500mm，在室温下操作，最大压 力差为0.15MPa，试问有效厚度为12mm时操作是否 安全？（用解析法和图算法分别计算。）