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文檔簡介
1、第四章 外壓圓筒與封頭的設(shè)計(Design of External Pressure Cylinder and Head),1. 外壓圓筒的工程設(shè)計1.1 基本概念外壓容器(External Pressure Container):凡是外部壓力大于內(nèi)部壓力的容器均稱為外壓容器。如減壓蒸餾塔、真空冷凝器、帶夾套的反應(yīng)釜等。外壓容器的失穩(wěn)(Instability of External Pressure Container
2、 ):殼體在外壓作用下承受壓應(yīng)力,但往往是殼壁的壓應(yīng)力還遠小于筒體材料的屈服極限時,筒體就失去原來的幾何形狀被壓癟或褶皺,這種在外壓作用下殼體突然被壓癟的現(xiàn)象稱為失穩(wěn)。失穩(wěn)是外壓容器失效的主要形式。容器失穩(wěn)型式的分類:容器的失穩(wěn)形式可分為側(cè)向、軸向及局部失穩(wěn)等幾種。,臨界壓力(Critical External Pressure):導(dǎo)致容器失穩(wěn)的壓力稱為該筒體的臨界壓力,用 表示。相對應(yīng)的壓應(yīng)力稱為臨界壓應(yīng)力 。
3、筒體臨界壓力的大小與筒體的幾何尺寸、筒體材料性能和筒體橢圓度等有關(guān)。,n=2,n=3,n=5,n=4,長圓筒(Long Cylinder)、短圓筒(Short Cylinder)和剛性圓筒(Rigid Cylinder):按照破壞情況,受外壓的圓筒形殼體可分為長圓筒、短圓筒和剛性圓筒。長圓筒:筒體的L/D0值較大,筒體兩端邊界約束可以忽略,臨界壓力僅與Se/D0有關(guān),而與L/D0無關(guān)。長圓筒失穩(wěn)時的波形數(shù)n=2。短圓筒:筒體
4、兩端邊界對筒體有明顯的支撐作用,邊界約束不可以忽略,臨界壓力不僅與Se/D0有關(guān),而且與L/D0有關(guān)。圓筒失穩(wěn)時的波形數(shù)n>2。剛性圓筒:筒體的L/D0值較小,Se/D0較大,剛性好,筒體的失效形式為壓縮強度破壞。,1.2 薄壁筒體的臨界壓力計算公式(Critical Pressure Formula of Thin-Walled Cylinder)鋼制長圓筒:長圓筒的臨界壓力可由圓環(huán)的臨界壓力公式推得,式中
5、 :材料的泊桑比; : 設(shè)計溫度下材料的彈性模數(shù),MPa,對于鋼制容器, 則上式可以寫成,相應(yīng)的臨界應(yīng)力為:,(4-1),1.3 外壓圓筒的設(shè)計計算(External Pressure Vessel Design)外壓圓筒的臨界壓力公式是按一定的理想狀態(tài)下推導(dǎo)出來的。實際筒體往往存在幾何形狀不規(guī)則、材料不均勻、載荷不均勻等,因此確定許用工作外壓時,必須考慮穩(wěn)定安全系數(shù)
6、m,即,對圓筒、錐殼取m=3,球殼、橢圓形和碟形封頭取m=15。,(4-5),由于外壓圓筒壁厚的理論計算方法非常復(fù)雜,《鋼制壓力容器》GB150-1998推薦采用圖算法。,一、算圖的由來(Origin of Rendering),將長、短圓筒的臨界壓力計算公式歸納成:,筒體的臨界應(yīng)力,臨界應(yīng)力所對應(yīng)的周向應(yīng)變 ,外壓設(shè)計時用A表示,為:,將以上關(guān)系繪成曲線,即為外壓圓筒幾何參數(shù)計算圖,該圖適用與任何材料的圓筒。,(4-6),二、
7、圖算法的設(shè)計步驟,對D0/Se≥20的圓筒和管子:,(1)假設(shè)Sn,求Se=Sn-C、L/D0和D0/Se;(2)在幾何參數(shù)計算圖的左方找到L/D0值、過此點沿水平方向向右移與D0/Se線相交。若L/D0大于50,則用L/D0 =50查圖;若L/D0小于0.05 ,則用L/D0 =0.05查圖;(3)過此交點沿垂直方向下移,在圖的下方得到系數(shù)A;,圓筒幾何參數(shù)計算圖(適用于所有材料),,,(4)按所用材料選用相應(yīng)的圖表,在圖的下方找
8、到A。若A落在設(shè)計溫度下材料線的右方,則過此點垂直上移,與設(shè)計溫度下的材料線相交,再過此點水平方向右移,在圖的右方得到系數(shù)B,并按下式計算許用外壓力 :,若A值落在設(shè)計溫度下材料線的左方,則按下式計算許用外壓力 :,(5)比較計算壓力 與 ,若 ,則需重設(shè)Sn ,重復(fù)上述計算步驟,直到 大于且接近 為止。,(4-8),,,三、 設(shè)計參數(shù)的確定(Design
9、Parameters),1)設(shè)計壓力(Design Pressure),2)計算長度L(Length) 筒體計算長度是指兩個剛性構(gòu)件之間的距離。封頭、法蘭、加強圈均可視為剛性構(gòu)件。對于凸形封頭,應(yīng)計入直邊高度和封頭曲面深度的1/3。,3)試驗壓力(Test Pressure)外壓容器和真空容器按內(nèi)壓容器進行壓力試驗:,試驗壓力液壓試驗,氣壓試驗,壓力試驗的應(yīng)力校核在進行壓力試驗時,容器的薄膜應(yīng)力按下式計算:,(4-1
10、2),(4-13),(4-14),應(yīng)滿足下列條件:液壓試驗 氣壓試驗,2 外壓球殼與凸形封頭的設(shè)計(Design of External Pressure Shell and Convex Head)外壓容器常用的封頭為凸形封頭,包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭、球冠封頭四種。2.1 外壓球殼和球形封頭
11、的設(shè)計(Design of External Pressure Spherical Shell and Head)受外壓的球殼和球形封頭的壁厚按下列步驟確定:(1)假設(shè)Sn,求Se=Sn-C、定出R0/Se值;(2)用下式計算系數(shù)A;,(4-15),,,二、橢圓形封頭(Elliptical Head)按外壓球殼圖算法進行設(shè)計,其中橢圓形封頭的當量球殼外半徑R0按下式確定:,D0為橢圓形封頭的外徑,K1為由橢圓封頭長短軸之比確定的
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