《外壓圓筒設(shè)計(jì)》PPT課件

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1、第三節(jié)外壓圓筒設(shè)計(jì)一、外壓容器失穩(wěn)外壓容器：容器外部壓力大于內(nèi)部壓力。石油、化工生產(chǎn)中外壓操作，例如：石油分餾中的減壓蒸餾塔、多效蒸發(fā)中的真空冷凝器、帶有蒸汽加熱夾套的反應(yīng)釜真空干燥、真空結(jié)晶設(shè)備等。失穩(wěn)的概念：容器外壓與受內(nèi)壓一樣產(chǎn)生徑向和環(huán)向應(yīng)力，是壓應(yīng)力。也會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞。容器強(qiáng)度足夠卻突然失去了原有的形狀，筒壁被壓癟或發(fā)生褶縐，筒壁的圓環(huán)截面一瞬間變成了曲波形。這種在外壓作用下，筒體突然失去原有形狀的現(xiàn)象稱彈性失穩(wěn)。容器發(fā)生彈性失穩(wěn)將使容器不能維持正常操作，造成容器失效。失穩(wěn)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)：外壓失

2、穩(wěn)前，只有單純的壓縮應(yīng)力，在失穩(wěn)時(shí)，產(chǎn)生了以彎曲應(yīng)力為主的附加應(yīng)力。外壓容器的失穩(wěn)，實(shí)際上是容器筒壁內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)由單純的壓應(yīng)力平衡躍變?yōu)橹饕軓澢鷳?yīng)力的新平衡。二、容器失穩(wěn)形式㈠　側(cè)向失穩(wěn)由于均勻側(cè)向外壓引起失穩(wěn)叫側(cè)向失穩(wěn)。殼體橫斷面由原來的圓形被壓癟而呈現(xiàn)波形，其波形數(shù)可以等于兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)……。㈡　軸向失穩(wěn)薄壁圓筒承受軸向外壓，當(dāng)載荷達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，也會(huì)喪失穩(wěn)定性。失穩(wěn)，仍具有圓環(huán)截面，但破壞了母線的直線性，母線產(chǎn)生了波形，即圓筒發(fā)生了褶縐。㈢局部失穩(wěn)在支座或其他支承處以及在安裝運(yùn)輸中由于過大的

3、局部外壓也可能引起局部失穩(wěn)。三、臨界壓力計(jì)算臨界壓力：導(dǎo)致筒體失穩(wěn)的外壓，Pcr臨界應(yīng)力：筒體在臨界壓力作用下，筒壁內(nèi)的環(huán)向壓縮應(yīng)力，以scr表示。外壓低于Pcr，變形在壓力卸除后能恢復(fù)其原先形狀，即發(fā)生彈性變形。達(dá)到或高于Pcr時(shí)，產(chǎn)生的曲波形將是不可能恢復(fù)的。臨界壓力與哪些因素有關(guān)？失穩(wěn)是固有性質(zhì)，不是由于圓筒不圓或是材料不均或其它原因所導(dǎo)致。每一具體的外壓圓筒結(jié)構(gòu)，都客觀上對(duì)應(yīng)著一個(gè)固有的臨界壓力值。臨界壓力的大小與筒體幾何尺寸、材質(zhì)及結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。根據(jù)失穩(wěn)情況將外壓圓筒分為三類：長圓筒：剛性封

4、頭對(duì)筒體中部變形不起有效支撐，最容易失穩(wěn)壓癟，出現(xiàn)波紋數(shù)n=2的扁圓形。短圓筒：兩端封頭對(duì)筒體變形有約束作用，失穩(wěn)破壞波數(shù)n>2，出現(xiàn)三波、四波等的曲形波。剛性圓筒：若筒體較短，筒壁較厚，即L/D0較小，de/D0較大，容器的剛性好，不會(huì)因失穩(wěn)而破壞。㈠長圓筒式中Pcr-臨界壓力，MPa；de-筒體的有效厚度，mm；D0-筒體的外直徑，mmEt-操作溫度下圓筒材料的彈性模量，MPam-材料的泊桑比。長圓筒的臨界壓力計(jì)算公式：分析：長圓筒的臨界壓力僅與圓筒的相對(duì)厚度de/D0有關(guān)，而與圓筒的相對(duì)長度L/

5、D0無關(guān)。對(duì)于鋼制圓筒，m=0.3，則㈡短圓筒短圓筒的臨界壓力計(jì)算公式為：短圓筒臨界壓力與相對(duì)厚度de/D0有關(guān)，也隨相對(duì)長度L/D0變化。L/D0越大，封頭的約束作用越小，臨界壓力越低。L為筒體計(jì)算長度，指兩相鄰加強(qiáng)圈的間距；對(duì)與封頭相連接的那段筒體而言，應(yīng)計(jì)入凸形封頭中的1/3的凸面高度。臨界壓力計(jì)算公式使用范圍：臨界壓力計(jì)算公式在認(rèn)為圓筒截面是規(guī)則圓形及材料均勻的情況下得到的。實(shí)際筒體都存在一定的圓度，不可能是絕對(duì)圓的，實(shí)際筒體臨界壓力將低于計(jì)算值。但即使殼體形狀很精確和材料很均勻，當(dāng)外壓力達(dá)到

6、一定數(shù)值時(shí)，也會(huì)失穩(wěn)，只不過是殼體的圓度與材料的不均勻性能使其臨界壓力的數(shù)值降低，使失穩(wěn)提前發(fā)生。㈢剛性筒剛性筒是強(qiáng)度破壞，計(jì)算時(shí)只要滿足強(qiáng)度要求即可，其強(qiáng)度校核公式與內(nèi)壓圓筒相同。㈣臨界長度實(shí)際外壓圓筒是長圓筒還是短圓筒，可根據(jù)臨界長度Lcr來判定。當(dāng)圓筒處于臨界長度Lcr時(shí)，長圓筒公式計(jì)算臨界壓力Pcr值和短圓筒公式計(jì)算臨界壓力Pcr值應(yīng)相等得：當(dāng)筒長度L≥Lcr，Pcr按長圓筒當(dāng)筒長度L≤Lcr時(shí)，Pcr按短圓筒公式按規(guī)則圓形推的，實(shí)際圓筒總存在一定的不圓度，公式的使用范圍必須要求限制筒體的圓度

7、e。四、外壓圓筒的設(shè)計(jì)㈠算法概述外壓圓筒計(jì)算常遇到兩類問題：一是已知圓筒的尺寸，求它的許用外壓[p]；另一是已給定工作外壓，確定所需厚度de。1．許用外壓[p]圓度，長圓筒或管子一般壓力達(dá)到臨界壓力值的l／2～1／3時(shí)就可能會(huì)被壓癟。大于計(jì)算壓力的工況，不允許在外壓力等于或接近于臨界壓力，必須有一定的安全裕度，使許用壓力比臨界壓力小，即[p]-許用外壓；m-穩(wěn)定安全系數(shù)，m>1穩(wěn)定安全系數(shù)m的選取主要考慮兩個(gè)因素：一個(gè)是計(jì)算公式的可靠性；另一個(gè)是制造上所能保證的圓度。根據(jù)GB150-1998《鋼制壓力

8、容器》的規(guī)定m=3，圓度與D0/de、L/D0有關(guān)。2．設(shè)計(jì)外壓容器由于Pcr或[p]都與筒體的幾何尺寸（de、D0、L）有關(guān)，通常采用試算法：設(shè)計(jì)外壓容器，應(yīng)使許用外壓[p]小于臨界壓力Pcr，即穩(wěn)定條件為：試算法：由工藝條件定內(nèi)徑和筒體長度先假定一個(gè)de，根據(jù)筒體計(jì)算長度判斷屬于長圓筒還是短圓筒，再代入相應(yīng)臨界壓力計(jì)算式。求出相應(yīng)的[p],然后比較[p]是否大于或接近設(shè)計(jì)壓力p，以判斷假設(shè)是否合理。設(shè)計(jì)外壓：不小于正常工作過程中可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓力