加强圈多间距小.pptx

项目二项目二.四四 化工设备设计化工设备设计计算计算分课题四分课题四 外压容器外压容器目录目录外压容器的稳定性外压容器的稳定性1 1外压薄壁容器壁厚确定外压薄壁容器壁厚确定2 2外压薄壁圆筒的加强圈外压薄壁圆筒的加强圈3 3第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性一、外压容器的失效形式一、外压容器的失效形式 基本概念基本概念 外压容器：外压容器：容器外部压力大于内部压力容器外部压力大于内部压力。失效：失效：容器失去了正常的工作能力容器失去了正常的工作能力。外压容器的失效形式外压容器的失效形式 外压容器的失效一是外压容器的失效一是强度不够强度不够，二是，二是稳定性不足稳定性不足。外压薄壁容器失稳是主要的失效形式。外压薄壁容器失稳是主要的失效形式。二、外压容器的失稳过程及临界压力的概念二、外压容器的失稳过程及临界压力的概念 失稳的概念失稳的概念 容器强度足够却突然失去了原有的形状，筒壁被压瘪容器强度足够却突然失去了原有的形状，筒壁被压瘪或发生褶绉，筒壁的圆环截面一瞬间变成了曲波形。这种或发生褶绉，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。在外压作用下，筒体突然失去原有形状的现象称弹性失稳。容器发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作，造容器发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作，造成容器失效。成容器失效。容器失稳形式容器失稳形式 侧向失稳侧向失稳 由于均匀侧向外压引起失稳叫侧向失稳。由于均匀侧向外压引起失稳叫侧向失稳。轴向失稳轴向失稳 薄壁圆筒承受轴向外压，当载荷薄壁圆筒承受轴向外压，当载荷达到某一数值时，也会丧失稳定性。达到某一数值时，也会丧失稳定性。失稳，仍具有圆环截面，但破坏失稳，仍具有圆环截面，但破坏了母线的直线性，母线产生了波形，了母线的直线性，母线产生了波形，即圆筒发生了褶绉。即圆筒发生了褶绉。局部失稳局部失稳 在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的局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也可能引起局部失稳。部外压也可能引起局部失稳。临界压力的概念临界压力的概念 临界压力是导致容器失稳的最小外压力。临界压力是导致容器失稳的最小外压力。三、临界压力的计算三、临界压力的计算 影响临界压力的因素影响临界压力的因素 临界压力的大小与筒体几何尺寸、材质及结构因素有临界压力的大小与筒体几何尺寸、材质及结构因素有关关。外压圆筒形容器的分类：外压圆筒形容器的分类：按失稳情形式将外压圆筒分为三类：按失稳情形式将外压圆筒分为三类：长圆筒、短圆筒、刚性圆筒长圆筒、短圆筒、刚性圆筒 临界压力的计算临界压力的计算 长圆筒长圆筒 短圆筒短圆筒 应用以上两式应满足两个条件：应用以上两式应满足两个条件：临界应力临界应力 圆筒的圆度应符合圆筒的圆度应符合GB150GB150的规定。的规定。刚性圆筒刚性圆筒 四、外压圆筒类型的判定四、外压圆筒类型的判定 临界长度计算临界长度计算 临界长度临界长度 区分不同类型圆筒的特征长度。区分不同类型圆筒的特征长度。临界长度的计算临界长度的计算 区分长圆筒和短圆筒的临界长度区分长圆筒和短圆筒的临界长度L Lcrcr 区分短圆筒和刚性圆筒的临界长度区分短圆筒和刚性圆筒的临界长度L Lcrcr 计算长度确定计算长度确定 计算长度计算长度 计算长度是指圆筒上相邻两刚性构件（如封头、加强计算长度是指圆筒上相邻两刚性构件（如封头、加强圈等）的距离。圈等）的距离。对具有凸形封头无加强圈的圆筒其计算长度对具有凸形封头无加强圈的圆筒其计算长度L L=圆筒长圆筒长度度+两封头直边高度两封头直边高度+两封头曲面深度的两封头曲面深度的1/31/3。外压圆筒外压圆筒 计算长度计算长度 圆筒类型的判定圆筒类型的判定 当当L LL Lcrcr时，为长圆筒；时，为长圆筒；当当L LL Lcrcr时，刚性圆筒；时，刚性圆筒；当当L LcrcrL LL Lcrcr时，为短圆筒。时，为短圆筒。第二节第二节 外压薄壁容器壁厚确定外压薄壁容器壁厚确定 一、设计参数一、设计参数 设计外压力设计外压力 对真空容器当在容器上装有安全阀时，设计外压力取对真空容器当在容器上装有安全阀时，设计外压力取1.251.25倍的最大外、内压力差与倍的最大外、内压力差与0.1MPa0.1MPa二者中的小值；当容二者中的小值；当容器未装有安全阀时，设计外压力取器未装有安全阀时，设计外压力取0.1MPa0.1MPa。试验压力试验压力 外压容器依然以内压力进行压力试验，其试验压力为：外压容器依然以内压力进行压力试验，其试验压力为：液压试验液压试验 气压试验气压试验 二、外压薄壁容器不失稳的条件二、外压薄壁容器不失稳的条件 容器的稳定条件为：容器的稳定条件为：式中式中 计算外压力，计算外压力，MPaMPa p p 许用外压力，许用外压力，MPa.MPa.三、圆筒壁厚确定的解析法三、圆筒壁厚确定的解析法 圆筒的厚度表达式圆筒的厚度表达式 长圆筒长圆筒 短圆筒短圆筒 壁厚确定的步骤壁厚确定的步骤 确定、确定、p pc c、t t、C C、E E、L L、等相关参数；、等相关参数；假设圆筒的名义厚度假设圆筒的名义厚度 ，得，得 ；计算临界长度计算临界长度 、并与并与 比较，确定圆筒的类比较，确定圆筒的类型；型；计算计算 、p p、比较：比较：若若 、且、且 ，则以上假设的满，则以上假设的满足要求；若足要求；若 ，则重新假设另一较大的，则重新假设另一较大的 ，重复以上各步、直至满足要求为止；若重复以上各步、直至满足要求为止；若 、但但 ，则改用图算法。，则改用图算法。校核压力试验时圆筒的强度校核压力试验时圆筒的强度。四、圆筒壁厚确定的图算法四、圆筒壁厚确定的图算法 图解法的依据图解法的依据 图图算算法法的的基基础础是是解解析析法法，将将解解析析法法的的相相关关公公式式经经过过分分析析整整理理，绘绘制制成成两两张张图图。一一张张图图反反映映圆圆筒筒受受外外压压力力后后，变变形形与与几几何何尺尺寸寸之之间间的的关关系系，称称为为几几何何参参数数计计算算图图，另另一一张张图图反反映映不不同同材材质质的的圆圆筒筒在在不不同同温温度度下下，所所受受外外压压力力与与变变形形之之间间关关系系的的图图，称称为为厚厚度度计计算算图图，此此图图不不同同的的材料有不同的图。材料有不同的图。图算法的步骤图算法的步骤 利用图算法设计不同类型的圆筒其过程也有所不同，利用图算法设计不同类型的圆筒其过程也有所不同，现以现以2020的圆筒为例说明的圆筒为例说明 确定、确定、p pc c、t t、C C、E E、L L、等相关参数；等相关参数；假设圆筒的名义厚度假设圆筒的名义厚度 ，得，得 计算计算 的值的值；在几何参数计算图上，由在几何参数计算图上，由L L/D Do o和和D Do/o/e e在横坐标上找在横坐标上找到系数到系数A A值，若值，若L L/D DO O大于大于5050、用、用L L/D DO=50O=50查图，若查图，若L L/D DO O小小于于0.050.05，用，用L L/D DO=0.05O=0.05查图查图；根据圆筒所用材料选厚度计算图，在此图上由第（根据圆筒所用材料选厚度计算图，在此图上由第（4 4）步所得步所得A A值和设计温度值和设计温度t t在纵坐标上找到系数在纵坐标上找到系数B B值，并按下值，并按下式计算许用外压力式计算许用外压力 p p,即即 若若A A值落在设计温度下材料线的左方，则直接用下式值落在设计温度下材料线的左方，则直接用下式计算许用外压力计算许用外压力 p p,即即 比较比较 若若 p pp pc c,则以上假设的则以上假设的 满足要求满足要求,否则重新假否则重新假设另一较大的设另一较大的 ，重复以上各步、直至满足要求为止。，重复以上各步、直至满足要求为止。校核压力试验时圆筒的强度校核压力试验时圆筒的强度。五、外压封头壁厚确定的图算法五、外压封头壁厚确定的图算法 受外压力的凸形封头（半球形、椭圆形、碟形），利受外压力的凸形封头（半球形、椭圆形、碟形），利用图算法按如下步骤确定壁厚。用图算法按如下步骤确定壁厚。假设封头的名义厚度假设封头的名义厚度 ，得，得 计算计算 的值的值 对半球形封头对半球形封头 ，R Ri i 为半球形内半径；为半球形内半径；对椭圆形对椭圆形R RO=O=K K1 1DoDo，K K1 1按表按表3-13-1查取；查取；对碟形封头对碟形封头R Ro o=球面部分内半径。球面部分内半径。计算临界应变计算临界应变A A值值 根据圆筒所用材料选厚度计算图，在此图上由第（根据圆筒所用材料选厚度计算图，在此图上由第（3 3）步所得步所得A A值和设计温度值和设计温度t t在纵坐标上找到系数在纵坐标上找到系数B B值，并按下值，并按下式计算许用外压力式计算许用外压力 p p,即即 若若A A值落在设计温度下材料线的左方，则直接用下式值落在设计温度下材料线的左方，则直接用下式计算许用外压力计算许用外压力 p p,即即 比较：比较：若若 p pp pc,c,则以上假设的满足要求则以上假设的满足要求,否则重新假设另否则重新假设另一较大的，重复以上各步、直至满足要求为止。一较大的，重复以上各步、直至满足要求为止。对于承受外压力的锥形壳体，当半顶角对于承受外压力的锥形壳体，当半顶角6060o o时，时，按平封头计算；当按平封头计算；当6060o o时，因锥壳与圆筒连接处存在时，因锥壳与圆筒连接处存在变形不协调而产生的边缘应力，所以在连接处附近圆筒和变形不协调而产生的边缘应力，所以在连接处附近圆筒和锥壳都要有足够的刚度，保证其在外压力作用下不会失稳。锥壳都要有足够的刚度，保证其在外压力作用下不会失稳。具体计算方法可参见具体计算方法可参见GB150GB150。第三节第三节 外压薄壁圆筒的加强圈外压薄壁圆筒的加强圈一、加强圈的作用、结构及要求一、加强圈的作用、结构及要求 加强圈的结构加强圈的结构 加强圈是焊接在圆筒外侧或内侧、且具有足够刚性的加强圈是焊接在圆筒外侧或内侧、且具有足够刚性的圆环状构件圆环状构件。其截面形状有矩形、。其截面形状有矩形、L L形、形、T T形、形、U U字形、工字形、工字形等。常用型钢制作，如扁钢、角钢、槽钢、工字钢等。字形等。常用型钢制作，如扁钢、角钢、槽钢、工字钢等。对加强圈的要求对加强圈的要求 加强圈本身应具有足够的刚度，在外压力作用下不会加强圈本身应具有足够的刚度，在外压力作用下不会失稳，才能对圆筒起到加强作用。失稳，才能对圆筒起到加强作用。加强圈的作用加强圈的作用 在壁厚一定时、设置加强圈可以减小计算长度，提高在壁厚一定时、设置加强圈可以减小计算长度，提高临界压力，也就是提高了圆筒的承载能力；在承载要求一临界压力，也就是提高了圆筒的承载能力；在承载要求一定时，设置加强圈减小了计算长度，进而可减小圆筒的壁定时，设置加强圈减小了计算长度，进而可减小圆筒的壁厚、节省材料厚、节省材料。二、加强圈的间距二、加强圈的间距 当当圆圆筒筒的的壁壁厚厚确确定定以以后后，加加强强圈圈之之间间的的最最大大间间距距可可按按下式计算：下式计算：在圆筒上设置多少加强圈合适，没有确切的定论。加在圆筒上设置多少加强圈合适，没有确切的定论。加强圈多、间距小，节省筒体材料；但若加强圈太多，则自强圈多、间距小，节省筒体材料；但若加强圈太多，则自身耗材也多、制造费用也高。最佳方案是圆筒材料和制造身耗材也多、制造费用也高。最佳方案是圆筒材料和制造费用与加强圈材料和制造费用之和为最小，但工程实际很费用与加强圈材料和制造费用之和为最小，但工程实际很难实现。根据经验一般认为每隔难实现。根据经验一般认为每隔1 12m2m设置一个加强圈为设置一个加强圈为宜。宜。三、加强圈的图算法三、加强圈的图算法 加强圈的稳定条件加强圈的稳定条件 加加强强圈圈组组合合截截面面实实际际具具有有的的惯惯性性矩矩IsIs保保持持加加强强圈圈不不失稳所需要的组合截面惯性矩失稳所需要的组合截面惯性矩I I。保持加强圈稳定所需要的组合截面惯性矩保持加强圈稳定所需要的组合截面惯性矩I I 计算计算 根据加强圈所用材料，在所选的外压容器厚度计算图根据加强圈所用材料，在所选的外压容器厚度计算图上，由以上所计算出的上，由以上所计算出的B B值和设计温度在横坐标上找到系值和设计温度在横坐标上找到系数数A A值；若图中无交点无法得到值；若图中无交点无法得到A A值，则可直接用下式计算：值，则可直接用下式计算：计算计算 组合截面实际具有的截面惯性矩组合截面实际具有的截面惯性矩I Is s 对如图示加强圈的截面尺寸，则组合截面实际具有的对如图示加强圈的截面尺寸，则组合截面实际具有的截面惯性矩按下式计算。截面惯性矩按下式计算。分课题五 厚壁容器特点：厚壁容器是三向应力状态，三个应力中环向应力最大。环向应力的分布又以内壁应力最大，而且除经(轴)向应力，其余两个应力沿壁厚非均匀分布，并随着径比值K的增大，不均匀程度会更为严重。根据应力特性，在考虑如何降低操作状态下的应力水平时，厚壁容器不能单纯从增：加厚度和提高材料强度级别来解决问题，而更需要从结构上改变应力的分布，由此，厚壁容；器除采用常见的整体式结构外，还有多种组合形式。第一节 厚壁容器的结构和选材 一、厚壁容器结构特点 (1)厚壁容器一般采用圆筒形状(2)厚壁容器由于承受高压作用，壁厚较大、质量 大(3)厚壁容器筒体的种类较多，结构复杂(4)开孔直径较小(5)广泛采用具有良好塑性和韧性的高强度钢(6)密封结构形式多样，要求较高 二、厚壁容器选材要求(1)具有较高的机械强度，塑性要好(2)要有较好的冲击韧性和断裂韧性(3)具有较好的抗蠕变性能(4)有一定的抗腐蚀性能(5)要有良好的加工工艺性能(6)要充分考虑本国资源及使用的经济性 第二节 厚壁容器的筒体结构形式一、单层圆筒结构 1整体锻造式圆筒2锻焊式圆筒 3单层卷焊式圆筒 4单层瓦片式圆筒 缺点：除整体锻造式厚壁圆筒外，不能完全避免较薄弱的深焊缝(包括纵焊缝和环焊缝)，焊接检验和消除均较困难，结构本身缺乏阻止裂纹快速扩展的自保护能力。大型锻件及厚钢板的性能不及薄钢板，不同方向力学性能差异较大，发生低应力脆性破坏的可能性也较大。应力沿壁厚不是均匀分布，材料未得到充分利用 二、多层圆筒结构 1多层包扎式圆筒 2多层热套式圆筒 3多层焊缝错开式圆筒 4多层绕板式圆筒 5多层绕带式圆筒6螺旋绕板式圆筒 第三节 厚壁圆筒的强度计算