第七章 外压容器设计

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1、第七章外压容器设计第一节外压容器设计【学习目标】掌握外压容器稳定性概念，了解加强圈设置规定；掌握外压圆筒、封头、加强圈的设计计算；掌握外压容器压力试验规定。一、外压容器的稳定性容器在正常操作时，凡壳体外部压力高于内部者，均称为外压容器，这类容器有两种：真空容器；两个压力腔的夹套容器。但是对于薄壁容器，承受外压作用时，往往在强度条件能够满足、应力远低于材料屈服强度的情况下，容器有可能因为不能保持自己原有的形状而出现扁塌，这种现象称为结构丧失了稳定性，即失稳。失稳是由于外压容器刚度不足而引起的，因此，保证容器有足够的稳

2、定性（刚度）是外压容器能够正常工作的必要条件，也是外压容器设计中首先应该考虑的问题。按圆筒的破坏情况，外压圆筒可分为长圆筒、短圆筒和刚性圆筒三类。长圆筒刚性最差，最易失稳，失稳时呈现两个波形。短圆筒刚性较好，失稳时呈现两个以上的波形。刚性圆筒具有足够的稳定性，破坏时属于强度失效。1、临界压力外压容器由原平衡状态失去稳定性而出现扁塌时对应的压力称之为临界压力（pcr）。影响临界压力的因素有：①圆筒的几何尺寸δ/D（壁厚与直径的比值）、L/D（长度与直径的比值）是影响外压圆筒刚度的两个重要参数。δ/D的值越大，圆筒刚度

3、越大，临界压力pcr值也越大；L/D的值越大，圆筒刚度越小，临界压力pcr也越小。②材料的性能材料的弹性模量E值和泊松比μ值对临界压力有直接影响，但是这两个值主要由材料的合金成分来决定，对已有材料而言无法改变，因此讨论弹性模量E值和泊松比μ值的影响意义不大。③圆筒的不圆度圆筒的不圆度会影响圆筒抵抗变形的能力，降低临界压力pcr，因此在圆筒制造过程中要控制不圆度。2、许用外压力与内压容器强度设计要取安全系数类似，外压容器刚度设计也要设定稳定系数，我国标准规定外压容器稳定系数m=3，故许用外压力。二、外压圆筒的计算长度

4、外压圆筒的计算长度对许用外压值影响很大。从理论上说，6计算长度的选取应是判断在该圆筒长度的两端能否保持足够的约束，使其真正能起支撑线的作用，从而在圆筒失稳时仍能保持圆形，不致被压塌。支撑线系指该处的截面有足够的惯性矩，不致在圆筒失稳时也出现失稳现象。圆筒计算长度，应取圆筒上两相邻支撑线之间的距离，见图7-1。三、加强圈的设置GB150.3第4章“外压圆筒和外压球壳”对加强圈的设置做出了规定。1、加强圈可设置在容器的内部或外部，应整圈围绕在圆筒的圆周上。加强圈两端的接合形式应按图7-2中A、B所示。2、容器内部的加强

5、圈，若布置成图7-2中C、D、E或F所示之结构时，则应取具最小惯性矩的截面进行计算。3、在加强圈上需要留出如图7-2中D、E及F所示的间隙时，则不应超过图7-3规定的弧长，否则须将容器内部和外部的加强圈相邻两部分之间接合起来，采用如图7-2中C所示的结构。但若能同时满足以下条件者可以除外：a）每圈只允许一处无支撑的壳体弧长；b）无支撑的壳体弧长不超过90°圆周；c）相邻两加强圈的不受支撑的圆筒弧长相互交错180°；d）圆筒计算长度L应取下列数值中的较大者：——相间隔加强圈之间的最大距离；——从封头切线至第二个加强圈

6、中心的距离再加上1/3封头曲面深度。6图7-2外压容器加强圈的各种布置图4、容器内部的构件如塔盘等，若设计成起加强作用时，也可作加强圈用。5、加强圈与圆筒之间可采用连续的或间断的焊接，当加强圈设置在容器外面时，加强圈每侧间断焊接的总长，应不少于圆筒外圆周长的1/2，当设置在容器里面时，应不小于圆筒内圆周长的1/3。焊脚尺寸不得小于相焊件中较薄件的厚度。间断焊缝的布置与间距可参照图7-4所示的型式，间断焊缝可以相互错开或并排布置。最大间隙t，对外加强圈为8δn，对内加强圈为12δn。图7-3圆筒上加强圈允许的间断弧长

7、值图7-4加强圈与圆筒的连接四、外压圆筒的稳定性校核6GB150.3第4章“外压圆筒和外压球壳”规定了外压圆筒的稳定性校核计算。4.3.2D0/δe≥20的圆筒4.3.2.1确定外压应变系数A根据L/Do和Do/δe由图4-2或表4-2查取外压应变系数A值4.3.2.2确定外压应力系数B按所用材料，查表4-1确定对应的外压应力系数B曲线图4.3.2.3确定许用外压力计算得到的应大于或等于，否则须调整设计参数，重复上述计算，直到满足设计要求。4.3.3D0/δe＜20的圆筒（略）五、外压封头的计算1、外压球壳的计算G

8、B150.3第4章“外压圆筒和外压球壳”规定了外压球壳的计算。4.4.1确定外压应变系数A根据Ro/δe，用式（4-5）计算系数A值：4.4.2确定外压应力系数B按所用材料，查表4-1确定对应的外压应力系数B曲线图，由A值查取B值（遇中间值用内插法）；4.4.3确定许用外压力根据B值，按式（4-6）计算许用外压力值：计算得到的应大于或等于，否则须调整设计参数