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1、一、外压容器失稳一、外压容器失稳1 1、概述、概述外压容器：容器外部压力大于内部压力。外压容器：容器外部压力大于内部压力。石油、化工生产中外压操作，例如：石油、化工生产中外压操作，例如：石油分馏中的减压蒸馏塔、石油分馏中的减压蒸馏塔、多效蒸发中的真空冷凝器、多效蒸发中的真空冷凝器、带有蒸汽加热夹套的反应釜带有蒸汽加热夹套的反应釜 真空干燥、真空结晶设备等。真空干燥、真空结晶设备等。第三节第三节 外压圆筒设计外压圆筒设计2 2、外压薄壁容器的受力、外压薄壁容器的受力 对于薄壁壳体来讲，对于薄壁壳体来讲，内压薄壁圆筒内压薄壁圆筒受的是受的是拉拉应力应力，即，即 。而而外压薄壁圆筒外压薄壁圆筒所受的
2、是所受的是压应力压应力，这种压缩，这种压缩应力的数值与内压容器相同，只是改变了应力应力的数值与内压容器相同，只是改变了应力的方向，然而，正是由于方向的改变，使得外的方向，然而，正是由于方向的改变，使得外压容器失效形式与内压不同。压容器失效形式与内压不同。3 3、失稳现象及其实质：、失稳现象及其实质：失稳：失稳：承受外压载荷的壳体，当外压载荷增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，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壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的失稳
3、体的失稳实质：实质：是是容器筒壁内的应力状态由单纯的压容器筒壁内的应力状态由单纯的压应力平衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡应力平衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡（产生了以弯曲应力为主的附加应力产生了以弯曲应力为主的附加应力）。二、容器失稳形式二、容器失稳形式侧向失稳侧向失稳v由于均匀侧向外压引起失稳由于均匀侧向外压引起失稳v壳体横断面由原来的圆形被压瘪而呈现壳体横断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形，其波形数可以等于两个、三个、波形，其波形数可以等于两个、三个、四个四个。轴向失稳轴向失稳 v薄壁圆筒承受轴向外薄壁圆筒承受轴向外压，当载荷达到某一压，当载荷达到某一数值时，也会丧失稳数值时，也会丧失稳定性
4、。定性。v失稳时，仍具有圆环失稳时，仍具有圆环截面，但破坏了母线截面，但破坏了母线的直线性，母线产生的直线性，母线产生了波形，即圆筒发生了波形，即圆筒发生了褶皱。了褶皱。局部失稳局部失稳在支座或其他支承处以及在在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的局部外压安装运输中由于过大的局部外压也可能引起局部失稳。也可能引起局部失稳。三、临界压力计算三、临界压力计算临界压力：导致筒体失稳的外压，临界压力：导致筒体失稳的外压，P Pcr cr临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁内的环向压缩应力，以内的环向压缩应力，以s scr cr表示。表示。外压低于外压低于P P
5、cr cr，变形在压力卸除后能恢复变形在压力卸除后能恢复其原先形状，即发生其原先形状，即发生弹性变形弹性变形。达到或高于达到或高于P Pcr cr时，产生的曲波形将是不时，产生的曲波形将是不可能恢复的。可能恢复的。影响临界压力的因素影响临界压力的因素每一具体的外压圆筒结构，都客观上对每一具体的外压圆筒结构，都客观上对应着一个固有的临界压力值。应着一个固有的临界压力值。因素：因素：1、筒体几何尺寸的影响、筒体几何尺寸的影响 主要考虑筒体的主要考虑筒体的L/D和和/D。2、筒体材料性能的影响、筒体材料性能的影响失稳与材料的屈服点无关，只与材料的弹性模数失稳与材料的屈服点无关，只与材料的弹性模数E和
6、泊松比和泊松比有关有关 3、筒体椭圆度和材料不均匀性的影响、筒体椭圆度和材料不均匀性的影响失稳是固有性质，不是由于圆筒不圆或是材料不失稳是固有性质，不是由于圆筒不圆或是材料不均或其它原因所导致。均或其它原因所导致。但是壳体的椭圆度与材料的不均匀性能使其临界但是壳体的椭圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的数值降低，使失稳提前发生。压力的数值降低，使失稳提前发生。根据失稳情况将外压圆筒分为三类：根据失稳情况将外压圆筒分为三类：相对几何尺寸 两端边界影响临界压力 失稳波形数 长圆筒L/D0较大 忽略只与/D0有关，与L/D0无关 2短圆筒 L/D0较小 显著与/D0有关，与L/D0有关 大于2的整数
7、刚性圆筒L/D0较小/D0较大不失稳 长圆筒长圆筒 式中式中 P Pcr cr-临界压力，临界压力，MPaMPa；d de e-筒体的有效厚度，筒体的有效厚度，mmmm；D D0 0-筒体的外直径，筒体的外直径，mmmmE Et t-操作温度下圆筒材料的弹性模量，操作温度下圆筒材料的弹性模量，MPaMPa m m-材料的泊桑比。材料的泊桑比。长圆筒的临界压力计算公式：长圆筒的临界压力计算公式：v分析：分析：长圆筒的临界压力仅与圆筒的相长圆筒的临界压力仅与圆筒的相对厚度对厚度d de e/D D0 0有关，而与圆筒的相有关，而与圆筒的相对长度对长度L L/D D0 0无关。无关。对于钢制圆筒，对
8、于钢制圆筒，m m=0.3=0.3，则则 短圆筒短圆筒短圆筒的临界压力计算公式为：短圆筒的临界压力计算公式为：短圆筒临界压力与相对厚度短圆筒临界压力与相对厚度d de e/D D0 0有关，有关，也随相对长度也随相对长度L L/D D0 0变化。变化。L L/D D0 0越大，封头的约束作用越小，临界越大，封头的约束作用越小，临界压力越低。压力越低。L L为筒体为筒体计算长计算长度度，指两相邻，指两相邻加强圈的间距；加强圈的间距；对与封头相连对与封头相连接的那段筒体接的那段筒体而言，应计入而言，应计入凸形封头中的凸形封头中的1/31/3的凸面高的凸面高度。度。临界压力计算公式使用范围：临界压力
9、计算公式使用范围：临界压力计算公式在认为圆筒截面是规则临界压力计算公式在认为圆筒截面是规则圆形及材料均匀的情况下得到的。圆形及材料均匀的情况下得到的。v实际筒体都存在一定的圆度，不可能是实际筒体都存在一定的圆度，不可能是绝对圆的，绝对圆的，实际筒体临界压力将低于计实际筒体临界压力将低于计算值。算值。v但即使壳体形状很精确和材料很均匀，但即使壳体形状很精确和材料很均匀，当外压力达到一定数值时，也会失稳，当外压力达到一定数值时，也会失稳，只不过是壳体的圆度与材料的不均匀性只不过是壳体的圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的数值降低，使失稳提能使其临界压力的数值降低，使失稳提前发生。前发生。刚性筒刚性
10、筒 刚性筒是强度破坏，计算时只要满足刚性筒是强度破坏，计算时只要满足强度要求即可，其强度校核公式与强度要求即可，其强度校核公式与内压圆筒相同。只是式中的许用应内压圆筒相同。只是式中的许用应力采用材料的压缩许用应力。力采用材料的压缩许用应力。临界长度临界长度实际外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可实际外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可根据临界长度根据临界长度L Lcr cr来判定。来判定。当圆筒处于临界长度当圆筒处于临界长度L Lcr cr时时，长圆筒公式，长圆筒公式计算临界压力计算临界压力P Pcr cr值值和短圆筒公式计算临和短圆筒公式计算临界压力界压力P Pcr cr值值应相等应相等得：得：v当筒长
11、度当筒长度L LL Lcr cr，P Pcr cr按按长圆筒长圆筒 v 当筒长度当筒长度LLL Lcr cr时，时，P Pcr cr按按短圆筒短圆筒公式按规则圆形推的，实际圆筒总存在公式按规则圆形推的，实际圆筒总存在一定的不圆度，公式的使用范围必须要求限一定的不圆度，公式的使用范围必须要求限制筒体的制筒体的圆度圆度e e。四、外压圆筒的设计四、外压圆筒的设计 算法概述算法概述 外压圆筒计算常遇到两类问题：外压圆筒计算常遇到两类问题：1 1、已知圆筒的尺寸，求它的许用外压、已知圆筒的尺寸，求它的许用外压 p p；2 2、已给定工作外压，确定所需厚度、已给定工作外压，确定所需厚度d de e。1
12、1许用外压许用外压 p p 因为圆筒是存在圆度的，长圆筒或管子一般压因为圆筒是存在圆度的，长圆筒或管子一般压力达到临界压力值的力达到临界压力值的 l/2l/21/31/3时就可能会被压时就可能会被压瘪。瘪。实际承担压力大于计算压力的情况，实际承担压力大于计算压力的情况，不允许外压力等于或接近于临界压力，必不允许外压力等于或接近于临界压力，必须有一定的安全裕度，使许用压力比临界压力须有一定的安全裕度，使许用压力比临界压力小小mm倍，即倍，即p-许用外压许用外压；m-稳定安全系数，稳定安全系数，m1稳定安全系数稳定安全系数mm 与圆筒形状的准确性、载荷的对称性、材料的均匀性、制造方法及设备的空间位
13、置等很多因素有关对圆筒、锥壳m=3；球壳、椭圆形 和碟形封头m=15。2、设计准则 计算压力pcp=pcr/m，并接近p。通常采用试算法试算法：由工艺条件定试算法：由工艺条件定内径和筒体长度内径和筒体长度先假定一个先假定一个d de e，根据筒体计算长度判断属于长圆筒还是短圆根据筒体计算长度判断属于长圆筒还是短圆筒，再代入相应临界压力计算式。筒，再代入相应临界压力计算式。求出相应的求出相应的 p p,然后比较然后比较 p p 是是否大于或接近设计压力否大于或接近设计压力p p，以以判断假设是否合理。判断假设是否合理。设计外压：设计外压：不不小于正常工作过程中可能出现的最大内小于正常工作过程中可
14、能出现的最大内外压力差。外压力差。真空容器：真空容器：有安全控制装置（真空泄放阀），取有安全控制装置（真空泄放阀），取1.251.25倍最大内外压差或倍最大内外压差或0.1MPa0.1MPa中较小值；中较小值；无安全控制装置，取无安全控制装置，取0.1MPa0.1MPa带夹套容器：真空设计压力再加上夹套设带夹套容器：真空设计压力再加上夹套设计压力。计压力。（二）外压圆筒壁厚设计的图算法（二）外压圆筒壁厚设计的图算法1、图算的由来图算的由来圆筒受外压时，其临界压力的计算公式为圆筒受外压时，其临界压力的计算公式为 （长圆筒）（长圆筒）（短圆筒）（短圆筒）在临界压力下，筒壁产生相应的应力和应变为在临
15、界压力下，筒壁产生相应的应力和应变为将临界压力公式代入，得：将临界压力公式代入，得：上式表明外压圆筒失稳时，筒壁的环向应上式表明外压圆筒失稳时，筒壁的环向应变与筒体几何尺寸（变与筒体几何尺寸（e、D0、L）有关：）有关：对于一个壁厚和直径确定的筒体（即该筒体对于一个壁厚和直径确定的筒体（即该筒体的的 一定），筒体失稳时的环向应变一定），筒体失稳时的环向应变只只是是 的函数，不同的函数，不同 的圆筒体，失稳的圆筒体，失稳时将产生不同的时将产生不同的以以为为横坐横坐标标，以，以 为纵为纵坐坐标标，绘绘制制-关系关系图图，图图中系数中系数A代替代替以A代替（三）（三）外压圆筒厚度设计方法外压圆筒厚度
16、设计方法 利用算图确定外压圆筒厚度。步骤如下：利用算图确定外压圆筒厚度。步骤如下：1 1 D D0 0/d de e2020的外压圆筒及外压管的外压圆筒及外压管a.a.假设假设d dn n,计算计算d de ed dn n-C C,定出定出L L/D D0 0值值 b.b.在图在图10-15 10-15 中得到中得到D D0 0/d de e 系数系数A A；c.c.根据所用材料，从根据所用材料，从A-BA-B关系图（图关系图（图10-1610-16至图至图10-2010-20）中选用，读出）中选用，读出B B值，并按式值，并按式（10-2510-25）或（）或（10-2610-26）计算许用
17、外压力）计算许用外压力 p p：（右边）（右边）（左边）（左边）d.d.比较许用外压比较许用外压 p p 与设计外压与设计外压p pv若若p pp p，假设的厚度假设的厚度d dn n可用，若小得可用，若小得过多，可将过多，可将d dn n适当减小，重复上述计算适当减小，重复上述计算v若若p p p p，需增大初设的需增大初设的d dn n，重复上述重复上述计算，直至使计算，直至使 p p p p且接近且接近p p为止。为止。2.2.D D0 0/d de e2020的外压圆筒及外压管子的外压圆筒及外压管子a a用与用与D D0 0/d de e2020相同的方法得到系数相同的方法得到系数B
18、B，但对但对D D0 0/d de e4 4圆筒及管子计算系数圆筒及管子计算系数A A值：值：系数系数A A0.10.1时，取时，取A=0.1A=0.1；b b计算计算 p p l l和和 p p 2 2。取取 p p l l和和 p p 2 2中的较小中的较小值为许用外压值为许用外压 p p s s0 0取以下两式中的较小值取以下两式中的较小值c c比较许用外压比较许用外压 p p 与设计外压与设计外压p pv若若p pp p，假设的厚度假设的厚度d dn n可用，若小得可用，若小得过多，可将过多，可将d dn n适当减小，重复上述计算适当减小，重复上述计算v若若p p p p，需增大初设的
19、需增大初设的d dn n，重复上述重复上述计算，直至使计算，直至使 p p p p且接近且接近p p为止。为止。五、外压容器的试压五、外压容器的试压外压容器和真空容器按内压容器进外压容器和真空容器按内压容器进行液压试验，试验压力取行液压试验，试验压力取1.251.25倍的设计倍的设计外压，即外压，即 式中式中p p-设计外压力，设计外压力，MPaMPa；p pT T-试验压力，试验压力，MPaMPa。v夹套容器内筒如设计压力为正值时，夹套容器内筒如设计压力为正值时，按内压容器试压；如设计压力为负值按内压容器试压；如设计压力为负值时按外压容器进行液压试验。时按外压容器进行液压试验。例例4-34-
20、3：分馏塔内径：分馏塔内径2000mm2000mm，塔身塔身(不包括椭不包括椭圆形封头圆形封头)长度为长度为6000mm6000mm，封头深度封头深度500mm500mm。370370及真空条件下操作。现库存有及真空条件下操作。现库存有9 9、1212、14mm14mm厚厚20g20g钢板。能否用这三种钢板制造。钢板。能否用这三种钢板制造。塔的计算长度塔的计算长度钢板负偏差均为钢板负偏差均为0.8mm0.8mm钢板的腐蚀裕量取钢板的腐蚀裕量取1mm1mm。有效厚度为有效厚度为7.27.2、10.210.2和和12.2mm12.2mm。简化计算，有效厚度简化计算，有效厚度7 7、1010和和12
21、mm12mm当当d de e=7mm=7mm时时查图查图10-1510-15得得A=0.000085A=0.000085。20g20g钢板的钢板的s ss s=250MPa=250MPa（查附录查附录6 6），查图），查图10-1710-17，A A值值点落在材料温度线得左方，故点落在材料温度线得左方，故20g20g钢板钢板370370时的时的E E=1.6910=1.69105 5MPaMPa p p 0.1MPa0.1MPa，所以所以9mm9mm钢板不能用。钢板不能用。当当d de e=10mm=10mm时时查图查图10-1510-15得得A=0.000013A=0.000013。查图查图
22、10-1710-17，A A值值所在点仍在材料温度线得左方，故所在点仍在材料温度线得左方，故 p p 0.1MPa0.1MPa，所以所以12mm12mm钢板也不能用。钢板也不能用。当当d de e=12mm=12mm时时 查图查图10-1510-15得得A=0.000018A=0.000018。查图查图10-1710-17，A A值值所在点仍在材料温度线得左方，故所在点仍在材料温度线得左方，故 p p 0.1MPa0.1MPa，所以，须采用所以，须采用14mm14mm厚的厚的20g20g钢板制造。钢板制造。六、加强圈六、加强圈内径内径2000mm2000mm、全长全长7000mm7000mm的
23、分馏塔，的分馏塔，要保证在要保证在0.1MPa0.1MPa外压下安全操作，须用外压下安全操作，须用14mm14mm厚钢板。较簿钢板满足不了外压厚钢板。较簿钢板满足不了外压要求。要求。装上一定数量的加强圈，利用圈对筒壁装上一定数量的加强圈，利用圈对筒壁的支撑作用，可以提高圆筒的临界压力，的支撑作用，可以提高圆筒的临界压力，从而提高其工作外压。从而提高其工作外压。扁钢、角钢、工字钢等都以制扁钢、角钢、工字钢等都以制作加强圈。作加强圈。加强圈最大间距：加强圈最大间距：外压圆筒加强圈间距已选定，可按上述图外压圆筒加强圈间距已选定，可按上述图算法确定出筒体厚度；算法确定出筒体厚度；如果筒体的如果筒体的D
24、 D0 0/d de e已确定，可从下式解出已确定，可从下式解出加强圈最大间距：加强圈最大间距：加强圈的实际间距如小于或等于算出的间加强圈的实际间距如小于或等于算出的间距，表明该圆筒能安全承受设计压力。距，表明该圆筒能安全承受设计压力。加强圈安装制造加强圈安装制造v加强圈可设置在容器的内部或加强圈可设置在容器的内部或外部。外部。v加强圈可设置在容器内部或外部。加强圈可设置在容器内部或外部。连续或间断焊接，当加强圈在外面时，每连续或间断焊接，当加强圈在外面时，每侧间断焊接的总长度不应小于圆筒外圆周侧间断焊接的总长度不应小于圆筒外圆周长的长的1/21/2；在里面，焊缝总长度不应小于内圆周长度在里面，焊缝总长度不应小于内圆周长度1/31/3。间断焊最大间距，外加强圈不能大于筒体间断焊最大间距，外加强圈不能大于筒体名义厚度名义厚度8 8倍；内加强圈不能大于筒体名倍；内加强圈不能大于筒体名义厚度义厚度1212倍倍为保证强度，加强圈不能任意削弱或割断。为保证强度，加强圈不能任意削弱或割断。水平容器加强圈须开排液小孔。允许割开水平容器加强圈须开排液小孔。允许割开或削弱而不需补强的最大弧长间断值。或削弱而不需补强的最大弧长间断值。