资源简介

(共24张PPT)
　　5.1 概 述
　　5.2 临界压力
　　5.3 外压圆筒的工程设计
　　5.4 外压球壳与凸形封头的设计
　　5.5 外压圆筒加强圈的设计
1
概 述
5.1.1 外压容器的失稳
　　在化工生产中 , 除了承受内压的容器外 , 还有很多承受外压的容器 , 例如 , 真空贮罐 、 减压蒸馏塔 、 蒸发器及蒸馏塔所用的真空冷凝器 、 真空结晶器 。 对于带有夹套加热或冷却的反应器 , 当夹套中介质的压力高于容器内介质的压力时 , 也构成一外压容器 。 因此 , 壳体外部压力大于壳体内部压力的容器均称为外压容器 。
　　容器受到外压作用后 , 在筒壁内将产生经向压缩应力和环向压缩应力 , 其值与内压圆筒的一样 , 也是 σ m = pD/(4δ), σ θ =pD/(2δ)。 如果这种压缩应力达到材料的屈服强度或抗压强度 , 将和内压圆筒一样 , 引起筒体强度破坏 , 然而这种现象极为少见 。 实践证明 , 经常是外压圆筒筒壁内的压缩应力的数值还远远低于材料的屈服强度时 , 筒壁就已经被突然压瘪或发生褶皱 , 即在一瞬间失去自身原来的形状 。 这种在外压作用下 , 突然发生的筒体失去原形 , 即突然失去原来的稳定性的现象称为弹性失稳 。 因此 , 保证壳体的稳定性是外压容器能够正常操作的必要条件 。
　　外压圆筒在失稳以前 , 筒壁内只有压缩应力 。 在失稳时 , 伴随着突然的变形 , 在筒壁内
产生以弯曲应力为主的复杂的附加应力 , 而且这种变形和附加应力一直迅速发展到筒体被压瘪或发生褶皱为止 。 所以 , 外压容器的失稳 , 实际上是容器从一种平衡状态跃变到另一种新的平衡状态 。
5.1.2 容器失稳形式的分类
侧向失稳
局部失稳
轴向失稳
5.1.2 容器失稳形式的分类
5.1.2 容器失稳形式的分类
2
临界压力
大连理工大学出版社
5.2.1 概 念
　　一个承受外压的容器 , 在外压达到某一临界值之前 , 筒壁上的任一微体均在压应力的作用下处于一种稳定的平衡状态 。 这时增加外压并不引起筒壁应力状态的改变 。 此时壳体亦能发生变形 , 不过压力卸除后壳体立即恢复其原来的形状 。 但是一旦当外压增大到某一临界值时 , 筒体的形状以及筒壁内的应力状态就发生突变 , 所发生的变形是永久变形 , 原来的平衡遭到破坏 , 即失去原来的稳定性 。
　　导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力 , 以 pcr 表示 。 筒体在临界压力的作用下 ,筒壁内存在的压应力称为临界压应力 , 以 σcr 表示 。
5.2.2 影响临界压力的因素
1 . 筒体几何尺寸
5.2.2 影响临界压力的因素
2 . 筒体材料性能
　　前已指出 , 圆筒失稳时 , 在绝大多数情况下 , 筒壁内的压应力并没有达到材料的屈服强度 。 这说明筒体几何形状的突变 , 并不是由于材料的强度不够而引起的 。 筒体的临界压力与材料的屈服强度没有直接关系 。 然而 , 材料的弹性模量 E和泊松比 μ 越大 , 其抵抗变形的能力就越强 , 因而其临界压力也就越高 。 但是由于各种钢材的 E 和 μ 相差不大 , 所以 , 选用高强度钢代替一般碳钢制造外压容器 , 并不能提高筒体的临界压力 。
5.2.2 影响临界压力的因素
3 . 筒体椭圆度和材料不均匀性
　　首先应该指出 , 稳定性的破坏并不是由于筒体存在椭圆度或材料不均匀而引起的 。 因为即使壳体的形状很精确 , 并且材料很均匀 , 当外压力达到一定数值时也会失稳 , 但筒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 , 即能使失稳提前发生 。
　　椭圆度定义为 e = (Dmax -Dmin ) / DN, 此处 Dmax 及 Dmin 分别为筒体同一横截面上的最大及最小内直径 , 如图 5 - 4 所示 , DN为圆筒的公称直径 。
　　除上述因素之外 , 载荷的不对称性 、 边界条件等因素亦对临界压力有一定的影响 。
5.2.2 影响临界压力的因素
图 5 - 3 外压圆筒的计算长度
5.2.2 影响临界压力的因素
图 5 - 4 圆筒横截面形状的椭圆度
5.2.2 影响临界压力的因素
　　按照破坏情况 , 受外压的圆筒壳可分为长圆筒 、 短圆筒和刚性圆筒三种 。 作为区分长圆筒 、 短圆筒与刚性圆筒的长度均指与直径 D o 、 壁厚 δ e 等有关的相对长度 , 而非绝对长度 。
5.2.2 影响临界压力的因素
1 . 长圆筒
　　这种圆筒的L/Do值较大 , 两端的边界影响可以忽略 , 临界压力 pcr 仅与 δe / Do有关 , 而与 L / Do 无关 ( L 为圆筒的计算长度 )。 长圆筒失稳时的波形数n=2。
5.2.2 影响临界压力的因素
2 . 短圆筒
　　这种圆筒两端的边界影响显著 , 不容忽略 , 临界压力 pcr 不仅与 δe / Do有关 , 而且与 L / Do也有关 。 短圆筒失稳时的波形数 n 为大于 2 的整数 。
5.2.2 影响临界压力的因素
3 . 刚性圆筒
　　这种圆筒的 L / Do较小 , δe / Do较大 , 故刚性较好 。 其破坏原因是器壁内的应力超过了材料的屈服强度或抗压强度 , 但不会发生失稳 。 在计算时 , 只要满足强度要求即可 。
　　对于长圆筒或短圆筒 , 除了需要进行强度计算外 , 尤其需要进行稳定性校核 , 因为在一般情况下 , 这两种圆筒的破坏主要是由于稳定性不够而引起的失稳破坏 。
5.2.4 临界压力的理论计算公式
1 . 钢制长圆筒
5.2.4 临界压力的理论计算公式
5.2.4 临界压力的理论计算公式
2 . 钢制短圆筒
5.2.4 临界压力的理论计算公式
3 . 刚性圆筒
5.2.4 临界压力的理论计算公式
5.2.5 临界长度

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