復(fù)習(xí)

按承壓方式對(duì)壓力容器分類內(nèi)壓容器外壓容器壓力容器1教學(xué)重點(diǎn)：

（1）失穩(wěn)和臨界壓力的概念；（2）影響臨界壓力的因素；（3）外壓容器的圖算法設(shè)計(jì)。教學(xué)難點(diǎn)：

圖算法的原理。第五章外壓圓筒與封頭的設(shè)計(jì)

2第一節(jié)概述一、外壓容器的失穩(wěn)

殼體外部壓力大于殼體內(nèi)部壓力的容器稱為外壓容器(舉例：真空冷凝器，夾套反應(yīng)釜)1、外壓容器的定義31-攪拌器2-罐體3-夾套4-攪拌軸5-壓出管6-支座7-人孔8-軸封9-傳動(dòng)裝置圖5-1夾套反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)圖4薄壁圓筒周向薄膜應(yīng)力

δ—計(jì)算厚度，mm；D—筒體中間面直徑，mm。經(jīng)向薄膜應(yīng)力壓應(yīng)力2、外壓薄壁容器的受力5承受外壓載荷的殼體，當(dāng)外壓載荷增大到某一值時(shí)，殼體會(huì)突然失去原來(lái)的形狀，被壓扁或出現(xiàn)波紋，載荷卸去后，殼體不能恢復(fù)原狀，這種現(xiàn)象稱為外壓殼體的失穩(wěn)。3、失穩(wěn)及其實(shí)質(zhì)圖5-2失穩(wěn)后的情況67二、容器失穩(wěn)型式的分類

側(cè)向失穩(wěn)容器由均勻側(cè)向外壓引起的失穩(wěn)，叫側(cè)向失穩(wěn)特點(diǎn):橫斷面由圓形變?yōu)椴ㄐ伍L(zhǎng)圓筒動(dòng)畫2波短圓筒動(dòng)畫3波短圓筒動(dòng)畫4波p1、按受力方向分為側(cè)向失穩(wěn)與軸向失穩(wěn)圖5-3外壓圓筒側(cè)向失穩(wěn)后的形狀8軸向失穩(wěn)軸向失穩(wěn)由軸向壓應(yīng)力引起，失穩(wěn)后其經(jīng)線由原來(lái)的直線變?yōu)椴ㄐ尉€，而橫斷面仍為圓形。

p圖5-4薄膜圓筒的軸向失穩(wěn)9整體失穩(wěn)局部失穩(wěn)壓應(yīng)力均布于全部周向或徑向，失穩(wěn)后整個(gè)容器被壓癟。壓應(yīng)力作用于某局部處，失穩(wěn)后局部被壓癟或皺折，如容器在支座或其他支承處以及在安裝運(yùn)輸中由于過(guò)大的局部外壓引起的局部失穩(wěn)。2、按壓應(yīng)力作用范圍分為整體失穩(wěn)與局部失穩(wěn)10第二節(jié)臨界壓力

一、臨界壓力的概念殼體失穩(wěn)時(shí)所承受的相應(yīng)壓力，稱為臨界壓力。

殼體在臨界壓力作用下，殼體內(nèi)存在的壓應(yīng)力稱為臨界壓應(yīng)力。11二、影響臨界壓力的因素

第一組（①②）：L/D相同時(shí)，δ/D大者臨界壓力高；第二組（②③）：δ/D相同時(shí)，L/D小者臨界壓力高；第三組（③④）：δ/D、L/D相同，有加強(qiáng)圈者臨界壓力高。1、筒體幾何尺寸的影響12材料的彈性模數(shù)E和泊桑比μ越大，其抵抗變形的能力就越強(qiáng)，因而其臨界壓力也就越高。但是，由于各種鋼材的E和μ值相差不大，所以選用高強(qiáng)度鋼代替一般碳素鋼制造外壓容器，并不能提高筒體的臨界壓力2、筒體材料性能的影響13穩(wěn)定性的破壞并不是由于殼體存在橢圓度或材料不均勻而引起的。無(wú)論殼體的形狀多么精確，材料多么均勻，當(dāng)外壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)也會(huì)失穩(wěn)。殼體的橢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。3、筒體橢圓度和材料不均勻性的影響14三、

長(zhǎng)圓筒、短圓筒、剛性圓筒的定性描述

相對(duì)幾何尺寸兩端邊界影響臨界壓力失穩(wěn)時(shí)波形數(shù)長(zhǎng)圓筒忽略2短圓筒顯著大于2的整數(shù)剛性圓筒不失穩(wěn)15四、臨界壓力的理論計(jì)算公式

鋼制長(zhǎng)圓筒無(wú)關(guān)1、長(zhǎng)圓筒16推論：從長(zhǎng)圓筒臨界壓力公式可得相應(yīng)的臨界應(yīng)力與臨界應(yīng)變公式臨界壓力臨界應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變與材料無(wú)關(guān),只與筒體幾何尺寸有關(guān)17有關(guān)圓筒外部或內(nèi)部?jī)上噜弰傂詷?gòu)件之間的最大距離舉例2、鋼制短圓筒18L＝圓筒長(zhǎng)＋封頭直邊段＋端蓋1深度+端蓋2深度舉例20002000

對(duì)于凸形端蓋對(duì)于筒體上有加強(qiáng)圈的圓筒外部或內(nèi)部?jī)上噜弰傂詷?gòu)件之間的最大距離圖5-5外圓筒的計(jì)算長(zhǎng)度19推論：從短圓筒臨界壓力公式可得相應(yīng)的臨界應(yīng)力與臨界應(yīng)變公式臨界壓力臨界應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變與材料無(wú)關(guān),只與筒體幾何尺寸有關(guān)203、剛性圓筒;4/,,][tstMPass可取用壓應(yīng)力材料在設(shè)計(jì)溫度下的許壓-211)定義:容器在外壓作用下，與臨界壓力相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度，稱為臨界長(zhǎng)度。2)作用:用臨界長(zhǎng)度和作為長(zhǎng)、短圓筒和剛性圓筒的區(qū)分界限。剛性圓筒短圓筒長(zhǎng)圓筒五、臨界長(zhǎng)度和長(zhǎng)圓筒、短圓筒、剛性圓筒的定量描述1、臨界長(zhǎng)度22長(zhǎng)圓筒臨界壓力公式3)求解:23短圓筒臨界壓力公式剛性圓筒最高工作壓力公式244)結(jié)論剛性圓筒短圓筒長(zhǎng)圓筒若某圓筒的計(jì)算長(zhǎng)度為

L，則：

L＞crL

屬長(zhǎng)圓筒

crL￠＜L＜crL

屬短圓筒

L＜crL￠

屬剛性圓筒

25第三節(jié)外壓圓筒的工程設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[P]—許用外壓力，MPa—穩(wěn)定安全系數(shù)。

1、許用外壓力[P]和穩(wěn)定安全系數(shù)m對(duì)圓筒、錐殼

m=3；

球殼、橢圓形和碟形封頭

m=15

262、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則計(jì)算壓力Pc≤mPPcr=][，并接近[P]

27二、外壓圓筒壁厚設(shè)計(jì)的圖算法1、算圖的由來(lái)（*詳附件，非機(jī)專業(yè)略講）圓筒受外壓時(shí)，其臨界壓力的計(jì)算公式為：在臨界壓力作用下，筒壁產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力及應(yīng)變即(5-1)(5-2)（1）幾何參數(shù)計(jì)算圖：L/Do—Do/δe—A關(guān)系曲線28將（5－1）式和（5－2）式分別代入上式得：(5-7)(5-8)29令A(yù)=ε，以A作為橫坐標(biāo)，L/Do作為縱坐標(biāo)，

Do/δe作為參量繪成曲線；見圖5-630圖5-6外壓或軸向受壓圓筒和管子幾何參數(shù)計(jì)算圖（用于所有材料）εcr31（2）厚度計(jì)算圖（不同材料）：B—A關(guān)系曲線

已知L/Do，Do/δe查幾何算圖周向應(yīng)變A（橫坐標(biāo)）找出A—Pcr

的關(guān)系（類似于εcr—σcr）判定筒體在操作外壓力下是否安全（圖5-6）32于是由可得令(5-9)

pcr=m[p](5-10)33由于若以為橫坐標(biāo)，B為縱坐標(biāo)，將B與(即圖中A)關(guān)系用曲線表示出來(lái)，我們就得到了如圖5—7所示的曲線。利用這組曲線可以方便而迅速地從找到與之相對(duì)應(yīng)的系數(shù)B，并進(jìn)而用(5－10)式求出[p]。AB圖5-7外壓圓筒的許用應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系34系數(shù)A=εcr系數(shù)B/MPa圖5-7外壓圓筒、管子和球殼厚度計(jì)算圖(屈服點(diǎn)σs＞207MPa的碳素鋼和0Cr13、1Cr13鋼)圖-8外壓圓筒、管子和球殼厚度計(jì)算圖(屈服點(diǎn)σs＞207MPa的碳素鋼和0Cr13、1Cr13鋼)35系數(shù)B/MPa系數(shù)A=εcr圖-9外壓圓筒、管子和球殼厚度計(jì)算圖(16MnR，15CrMo鋼)圖5-外壓圓筒、管子和球殼厚度計(jì)算圖(16MnR，15CrMo鋼)36（二）外壓圓筒和管子厚度的圖算法(2)查A系數(shù)：在圖5-5縱坐標(biāo)上找到，由此點(diǎn)水平移動(dòng)與線相交，再垂直下移在橫坐標(biāo)上讀得系數(shù)A(3)由材料選用圖5-7至圖5-14,在橫坐標(biāo)上找出系數(shù)A，若A在設(shè)計(jì)溫度的材料線右方，則垂直移動(dòng)與材料溫度線相交，再水平右移得B系數(shù)并按(5-11)計(jì)算許用外壓力，若A值在材料溫度線左方，按式（5-12）計(jì)算(5-12)(5-11)(1)假設(shè)，令，求出和(4)比較計(jì)算壓力Pc與許用外壓力[P]，要求Pc[P]且比較接近

情況137情況2(1)用與D0/δe

20時(shí)相同的步驟得到系數(shù)B。但對(duì)于D0/δe<4的圓筒和管子，則系數(shù)A用下式計(jì)算：(5-13)

系數(shù)A>0.1時(shí)，取A=0.1。0取以下兩值中的較小值：

0＝2[]t

或

0＝0.9st

或0.90.2t(2)用步驟A所得系數(shù)B，下式計(jì)算[p]1和[p]2：(5-15)(5-14)

(3)所得[p]1和[p]2中的較小值為許用外壓力[p]。比較

pc與[p]，若p

c＞[p]，則需再假設(shè)壁厚δn，重復(fù)上述計(jì)算步驟，直至

[p]大于且接近于pc為止。38三、外壓圓筒的試壓外壓容器和真空容器以內(nèi)壓進(jìn)行壓力試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力39試確定一外壓圓筒的壁厚。已知計(jì)算外壓力Pc＝0.2MPa，內(nèi)徑Di＝1800mm，圓筒計(jì)算長(zhǎng)度L＝10350mm，如圖5-15(a)所示，設(shè)計(jì)溫度為250℃，壁厚附加量取C＝2mm，材質(zhì)為16MnR，其彈性模數(shù)Et＝186.4×103MPa。四、例題(a)(b)hi/3hiD0

L=10350

hi/3hi/3hiD0

hi/3L=3450L=3450L=345040(1)設(shè)筒體名義壁厚δn＝14mm，則D0

＝1800+2×14＝1828mm筒體有效壁厚δe

＝

δn-

C＝14-2＝12mm，則

L／D0＝10350／1828＝5.7；D0／δe

＝1828／12＝152；(D0／δe

＞20)。hi/3hiD0

L=10350

hi/341(2)在圖5－5的左方找出L／D0

＝5.7的點(diǎn)，將其水平右移，與D0/δe

＝152的點(diǎn)交于一點(diǎn)，再將點(diǎn)下移，在圖的下方得到系數(shù)A＝0.00011；420.000150.00020.0001143(3)在圖5—9的下方找到系數(shù)A＝0.00011所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，此點(diǎn)落在材料溫度線的左方，故利用5－12式確定[p]：

顯然[p]<p，故須重新假設(shè)壁厚δn或設(shè)置加強(qiáng)圈?，F(xiàn)按設(shè)兩個(gè)加強(qiáng)圈進(jìn)行計(jì)算(仍取δn

＝14mm)。(b)hi/3hiD0

hi/3L=3450L=3450L=345044(1)設(shè)兩個(gè)加強(qiáng)圈后計(jì)算長(zhǎng)度L＝3450mm，則

L／D0

＝3450／1828＝1.9，D0/δe

＝152；(2)由圖5—5查得A＝0.00035；(3)在圖5—9的下方找到系數(shù)A=0.00035(此點(diǎn)落在材料溫度線的右方)，將此點(diǎn)垂直上移，與250℃的材料溫度線交于一點(diǎn)，再將此點(diǎn)水平右移，在圖的右方得到B=42.5；(4)按(5－13)式計(jì)算許用外壓力[p](5)比較pc與[p]，顯然pc=0.2MPa<[p]，且較接近，故取δe＝12mm合適。

則該外壓圓筒采用δn＝14mm的16MnR鋼板制造，設(shè)置兩個(gè)加強(qiáng)圈，其結(jié)果是滿意的。45一、外壓球殼和球形封頭的設(shè)計(jì)二、凸面受壓封頭的設(shè)計(jì)第四節(jié)外壓球殼與凸形封頭的設(shè)計(jì)學(xué)生課后自學(xué)46第五節(jié)加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)一、加強(qiáng)圈的作用與結(jié)構(gòu)

縮短圓筒的計(jì)算長(zhǎng)度，增加圓筒的剛性，從而提高臨界壓力。經(jīng)濟(jì)意義大工字鋼角鋼扁鋼1、作用2、結(jié)構(gòu)47（二）、結(jié)構(gòu)工字鋼角鋼扁鋼48根據(jù)式(5－2)和(5－8)，鋼制短圓筒臨界壓力為：式中Ls—加強(qiáng)圈的間距，mm?？梢钥闯觯?dāng)圓筒的D0，δe一定時(shí)，外壓圓筒的臨界壓力和允許最大工作外壓都隨著筒體加強(qiáng)圈間距Ls的縮短而增加。通常設(shè)計(jì)壓力是由工藝條件確定了的，只有通過(guò)改變加強(qiáng)圈的參數(shù)來(lái)滿足設(shè)備穩(wěn)定性的要求。二、加強(qiáng)圈的間距及加強(qiáng)圈的數(shù)量49

如果這時(shí)加強(qiáng)圈的間距已經(jīng)給出則可按照第三節(jié)圖算法確定出筒體壁厚。反之，如果筒體的D0，δe已經(jīng)確定，如使該筒體安全承受所規(guī)定的外壓p所需加強(qiáng)圈的最大間距，可以從(5－2)式解出，其值為：

可以看出，當(dāng)圓筒的D0，δe