压力容器设计 外压圆筒的设计计算课堂
过程设备设计基础--外压圆筒设计
1.外压容器：容器外部压力大于内部压力。
2.石油、化工生产中常有外压操作设备，例如： 石油分馏中的减压蒸馏塔、 多效蒸发中的真空冷凝器、 带有蒸汽加热夹套的反应釜、 真空干燥、真空结晶设备等。
3.失稳现象
1）容器外压与受内压一样产生径向和环向应力，是压应力。也会发生强度破 坏。
2)短圆筒：两端封头对筒体变形有约束作用，失稳破坏波数 n>2， 出现三波、四波等的曲形波。
3)刚性圆筒：若筒体较短，筒壁较厚，即L/D0较小，δe/D0较大，
容器的刚性好，不会因失稳而破坏。
(1) 长圆筒
a.长圆筒的临界压力计算公式：
pcr
2Et
1
2
( e )3
D0
(式中: Pcr-临界压力，Mpa; δ e-筒体的有效厚度，mm；μ-材料的泊松比。 D0-筒体的外直径，mm;Et-操作温度下圆筒材料的弹性模量，Mpa)
2）容器强度足够(即：圆筒工作压力远低于材料的屈服极限)却突然失去了原 有的形状，筒壁被压瘪或发生褶皱，筒壁的圆环截面 一瞬间变成了曲波 形。这种在外压作用下，筒体突然失去原有形状的现象称弹性失稳。
3）发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作，造成容器失效。 4）外压容器失效形式有2种： 刚度不够引起的失稳（主要失效形式）； 强度不够引起的破坏，
一个是计算公式的可靠性；另一个是制造上所能保证的圆度。e 0.5%
根据GB150-2010《钢制压力容器》的规定m=3，圆度与D0/ δ e、L/D0 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 pcr m[ p]
由于Pcr或[p]都与筒体的几何尺寸（ δ e、D0、L）有关，通常
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。
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
44
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
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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
29
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：
压力容器常规设计课件
端部法兰
底封头
图4－3 整体多层包扎式厚壁容器筒体 16
4.3.2.1 圆筒结构
五、绕带式 以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚度的圆筒的方法。 型槽绕带式 两种结构 扁平钢带倾角错绕式
(1) 型槽绕带式—— 用特制的型槽钢带螺旋缠绕在特制的内 (2) 筒上
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4.3.2.2 内压圆筒的强度设计
三、多层厚壁筒体(续)
2 、厚度计算式：(热套式、多层包扎式、绕板式、 扁平钢带倾角错绕式)
计算压力不超过0.4[σ]t φ时，按式(4-13)计算 不同之处：许用应力用组合许用应力代替；
多层圆筒的组合许用应力
(4-13)
试算过程
(4-18)
30
4.3.2.2 内压圆筒的强度设计
4.3.2.2 内压圆筒的强度设计
三、多层厚壁筒体 多层厚壁筒体在制造中——施加预应力。
1、预应力(内压) ——筒体内壁应力 降低，外壁应力 增加， 壁厚方向应力分布趋向于均匀，从而提高筒体的弹性 承载能力。
但由于结构和制造上的原因，定量地控制预应力的大小是困难的。
多层包扎式
例如： 绕带式筒体
设计计算： 不考虑预应力，作强度储备用。 只有压力很高时，才考虑预应力。
优点——简单
单层式
筒体结构
缺点——
组合式
①深环、纵焊缝，焊接缺 陷检测和消除困难；且结 构本身缺乏阻止裂纹快速 扩展的能力； ②大型锻件、厚钢板性能 比薄钢板差，不同方向力 学性能差异大，韧脆转变 温度较高，发生低应力脆 性破坏的可能性也较大； ③加工设备要求高。
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4.3.2.1 圆筒结构
外压圆筒设计图算法与公式法
外压圆筒设计图算法与公式法本文旨在对比研究外压圆筒设计图算法和公式法，探讨两种方法的优缺点，并提出作者的设计方案。
我们将简要介绍外压圆筒设计图算法和公式法的背景和意义；接着，将详细阐述这两种方法的原理和应用；我们将对外压圆筒设计图算法和公式法进行比较分析，并提出作者的设计方案。
外压圆筒设计图算法是一种基于几何图形计算的设计方法。
它通过将圆筒形容器分解为多个圆柱体和圆锥体，并根据外压条件计算出各部分的直径、高度等参数，最终得到圆筒设计的详细尺寸。
此算法具有较高的精确性和可靠性，适用于各种复杂形状和尺寸的圆筒设计。
然而，它需要较高的计算成本和时间，对于一些大型或复杂项目来说可能不太适用。
公式法是一种基于经验公式的计算方法。
它根据已知的参数和经验公式，直接计算出圆筒设计的各项参数。
此方法具有较快的计算速度和较低的计算成本，适用于一些简单形状和尺寸的圆筒设计。
但是，由于公式法的原理基于经验数据，因此对于一些特殊或复杂形状的圆筒设计可能无法提供精确的计算结果。
外压圆筒设计图算法和公式法各有优缺点。
对于一些需要精确计算和复杂形状的圆筒设计，外压圆筒设计图算法是一种更为可靠的方法。
然而，对于一些简单形状和尺寸的圆筒设计，公式法则具有较快的计算速度和较低的计算成本。
在实际应用中，应根据项目需求和设计要求选择合适的方法。
基于对外压圆筒设计图算法和公式法的比较分析，作者提出以下设计方案：对于一些重要且复杂的圆筒设计项目，建议采用外压圆筒设计图算法，以保证计算结果的精确性和可靠性；对于一些简单且常规的圆筒设计项目，可以尝试使用公式法，以节省计算成本和时间；对于一些介于两者之间的圆筒设计项目，可以根据项目需求和设计要求进行选择。
例如，可以在保证计算结果较为精确的前提下，采用公式法进行快速估算。
本文对比研究了外压圆筒设计图算法和公式法，分析了两种方法的优缺点，并提出了作者的设计方案。
在实际应用中，应根据项目需求和设计要求选择合适的方法。
第13章 外压容器设计
用圆筒的抗弯刚度
D EJ (1 2 )
代替式(13-1)中圆环的抗弯刚度EJ，即得长圆筒的临界 压力计算式
3D 3EJ pcr 3 2 3 R (1 ) R
将 J e3 12 代入式(13-2)，得
(13-2)
2E e 3 pcr ( ) 2 1 D
3. 筒体的椭圆度和材料的不均匀性
筒体的椭圆度定义为e=（Dmax-Dmin）， Dmax 、Dmin
分别为壳体的最大直径、最小直径。 筒体的 椭圆度大小和材料的不均匀性 影响临界压力 的大小。但必须注意的是：外压容器的失稳是外压容 器固有的力学行为，并非由于壳体不圆或材料不均匀
引起的。
GB150中对外压容器椭圆度的要求比内压容器要严格。
13.1.1 外压容器的失稳
外压容器指容器外面的压力大于内部的容器。 例如：石油分馏中的减压蒸馏塔，多效蒸发中的真空 冷凝器，带有蒸汽加热夹套的反应容器以及某些真空
输送设备等。
圆筒容器受外压时的应力计算方法与
受内压相类似。其环向应力值是
pD 2
若超过材料的屈服极限或强度极限时，也会引起强度 失效。但薄壁容器极少出现这种失效，往往是在壳壁的
压应力还远小于筒体材料的屈服极限时，筒体就已经被
压瘪或出现褶皱，突然间失去自身原来的几何形状而导 致容器失效。 外压容器的 失效形式有 两种：
1.发生压缩屈服破坏;
2.当外压达到一定的数值时，壳 体的径向挠度随压缩应力的增 加急剧增大，直至容器压扁.
这种在外压作用下壳体突然被压瘪
（即突然失去自身原来形状）的现象
式（13-4）仅适合于 cr
(13-5)
s ，即弹性失稳。
13.2.2 短圆筒的临界压力
化工设备机械基础：第五章 外压圆筒与封头的设计
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5.1概述
外压容器很少因为强度不足发生破坏，常常是因为 刚度不足而发生失稳。下面我们来看看失稳的定义 。 3、失稳及其实质 失稳：承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到 某一数值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或 出现波纹，载荷卸除后，壳体不能恢复原状，这种现 象称为外压壳体的失稳（Instability）。
1、算图的由来
圆筒受到外压时，其临界压力的计算公式为：
pcr
2.2Et ( e )3
D0
（长圆筒）
pc' r
2.59Et
(e
L
D0 )3 D0
（短圆筒）
在临界压力下，筒壁产生相应的应力σcr及应变ε分别为：
cr
pcr D0 ,
2 e
cr pcr (D0 e )
Et
2Et
ห้องสมุดไป่ตู้
1.1
e
D0
2
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5.3外压圆筒的工程设计
• 2、外压圆筒和管子厚度 的图算法
• 1）对Do/δe≥20的圆筒
和管子（P134）
➢ 假 比设 值δLn/，D0令和δDe＝0/ δδen;－C，定出
D0/δe
➢ 在图5－5的左上方找到L/D0， 将 δL则e/相D此用0交＝点L/。D5沿00若查＝水L0图平/.D0，方50查>若向5图0L右，/D移则0<与按0.D050/,
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5.3外压圆筒的工程设计
第五章--外压圆筒与封头的设计
失稳后的情况
10
11
二、容器失稳型式的分类
1、按受力方向分为侧向失稳与轴向失稳
侧向失稳
p
容器由均匀侧向外压 引起的失稳，叫侧向 失稳 特点:横截面 由原来的圆形被压瘪 而呈现波形
外压圆筒侧向失稳后的形状
波数与临界压力Pcr相对应，较少的 波纹数对应较低的临界压力。
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轴向失稳
轴向失稳由轴向压应力引起，失稳后其 经线由原来的直线变为波形线，而横断 面仍为圆形。
D0 筒体的外直径, mm; 材料的泊桑比;
E t 设计温度下材料的弹性模数, MPa
钢制长圆筒
3
pcr
2.2E t
e
D0
22
pcr
2.2E t
e
D0
3
从上述公式看，影响长圆筒临 界压力的因素如何？
除了与材料物理性质（E,μ） 有关外，几何方面只与厚径Байду номын сангаас （e/DO)有关，与长径比（L/DO) 无关。
短圆筒 L / D0较小 显著 刚性 L / D0较小
圆筒 e / D0较大
与e / D0有关 大于2
与L / D0有关 的整数
不失稳
20
结论： 根据失稳情况将外压圆筒分为三类：
长圆筒： L/Do较大，刚性封头对筒体中部变形不
起有效支撑，最容易失稳压瘪，出现波纹数n=2的。 扁圆形 短圆筒：两端封头对筒体变形有约束作用，失稳 破坏波数n>2，出现三波、四波等的曲形波。
L / D0
应变与材料无关,只与筒体几何尺寸有关
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破坏形式是强度破坏，即压缩应力σs
3、刚性圆筒