文档介绍：1. 外压容器凡外部压力高于内部压力的容器都称为外压容器。在化工及石油化工生产中,常见的外压容器:减压设备、真空储罐、带蒸汽夹套的反应釜、真空冷凝器和结晶器等。第五章外压圆筒与封头的设计第一节概述一、外压容器的失稳▲对多数薄壁容器, S/D 较小或 L/D 较大的容器,在外压作用下,当压力达到某一数值时(此时,壁内的最大应力远远小于材料的屈服点),容器便突然失去原来的形状,这种破坏形式称为外压容器的失稳。 S PD m4 ??S PD 2 ??? 2. 外压容器的破坏概念▲受轴向和侧向外压的圆筒形容器,其应力计算公式与内压容器一样即: 这时应力为压应力,若这种应力达到材料的强度极限时,就会引起筒体的强度破坏,然而这种现象是极少见的,一般只有当一台直径较小、壁厚较大且长度不长的容器才有这种破坏的可能。 ▲失效的本质内压容器屈服破坏和断裂破坏; 外压容器失稳破坏(失去原来的形状) ▲应力状况外压容器? max<< ? s但P max≥P cr ? max≥? cr 内压容器? max≥? s或? b,屈服或断裂破坏▲形状缺陷影响内压容器对制造缺陷不敏感如圆度、局部不连续外压容器对形状,尤其圆度敏感*设计上提要求▲失效过程内压容器经历弹性变形→塑性变形→塑性流动→应变硬化→断裂诸过程外压容器失稳前无任何先兆,而是瞬间突然发生外压容器的失稳分为侧向、轴向和局部失稳三类二、失稳的分类 —外压容器的主要失稳形式,本章重点讨论载荷—侧向外压;变形—横截面由圆形突变为波形 2. 轴向失稳载荷—轴向外压;变形-横截面圆形, 经线突变为波形; 失稳时经向应力由压应力突变为弯曲应力。 3. 局部失稳: 载荷—局部外压;变形-局部突变为波形, 局部范围的壳体壁内的压应力突变为弯曲应力容器失稳就是器壁上所受的拉压应力突变为弯曲应力,引起器壁的突然变形外压失稳的瞬间和失稳以后,器壁内除有压应力外,还存在弯曲应力,如果材料的抗弯能力(抗弯刚度)强,容器就不易失稳第二节临界压力及其影响因素一、临界压力与临界压应力使外压容器发生失稳时的压力, 称为临界压力,以 P cr表示。容器在临界压力作用时,壁内的应力称临界压应力以? cr表示二、影响临界压力的因素 1. 筒体抗弯刚度的影响◎圆筒壳其抗弯刚度与 E及几何尺寸有关,与强度? s、? b无关,各种钢材的 E 值相差不大,故外压容器用钢材,没有必要选用高强度的钢材; ◎不同材料的 E值不同,故相同条件下,不同材料制成的外压容器,其临界压力不同; 同一材料的 E值,随温度升高而降低,其临界压力也就降低。可得如下结论 ttE SJE 12 3?*圆筒壳抗弯刚度 E ab12 EJ 3x?矩形梁实验结果比较与分析图( 1)与图( 2)比较:当 L/D 相同时, S/D 大者, P cr 高图( 2)与图( 3)比较:当 S/D 相同时, L/D 小者, P cr 高图( 3)与( 4)比较: S/D 、 L/D 相同时,有加强圈者 P cr 高 2. 筒体几何尺寸的影响? 90 (1) ? 90 (2) ? 90 350 (3) ? 90 350 (4) 对不同长度壁厚圆筒外压下失稳实验结果失稳时的真空度P cr /mm H 2O500 300 120 ~150 300 边界固支(相当于焊接)则临界压力 P cr↑边界简支(相当于法兰联接)则临界压力 P cr↓ 3. 容器制造时形状尺寸误差的影响 D max D min 主要反映在制造加工的“椭圆度”上,它是圆筒横截面形状尺寸的加工误差: % 100 min max??? DN DDe椭圆度椭圆度 e 大,能使临界压力 P cr降低,使失稳提前发生; 工程上规定外压容器时,椭圆度 e≤% ;内压时 e≤1 % 。 4. 边界条件的影响综上,影响因素: E,S/D ,L/D ,加工精度, 边界条件通常按外压圆筒破坏情况,根据圆筒长径比的大小不同, 划分为长圆筒、短圆筒、和刚性圆筒三种来研究。 1. 钢制长圆筒长圆筒的长径比 L/D 较大,两端边界的刚性影响可以忽略不计,其临界压力 P cr仅与 S e/D o有关,与 L/D o无关; 长圆筒失稳时的波形 n=2 。三、长圆筒、短圆筒和刚性圆筒及其临界压力、应力计算公式 ??????????? o e te o cr e cr crD SES DPS DP?临界应力计算公式: MPa 1 2 3 32??????????????????? o e to e t crD SE D SEP?临界压力