【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 力不再升高 ， 即 自動(dòng)受到限制 。 由于局部性與自限性，設(shè)計(jì)中一般不按邊緣應(yīng)力來(lái)確定厚度，而是在結(jié)構(gòu)上作局部處理。但 對(duì)于脆性材料，必須考慮邊緣應(yīng)力的影響 。 x 【 例 102】 某化工廠(chǎng)欲設(shè)計(jì)一臺(tái)石油氣分離工程中的乙烯精餾塔。工藝要求為塔體內(nèi)徑 Di=600mm；設(shè)計(jì)壓力p＝ ；工作溫度 t＝ 3～ 20℃ 。試選擇塔體材料并確定塔體厚度。 （ 2）確定參數(shù)： 式中 p=； Di=600mm； [ζ]=170MPa；φ=（表 109）； C2= mm 。 ? ? 22 CppDtid ??? ???mmd ????? ???考慮鋼板厚度負(fù)偏差 C1=，圓整后，取 δn=7mm （ 1）選材： 由于石油氣對(duì)鋼材腐蝕不大，溫度在 20℃ 以上，承受一定的壓力，故選用 16MnR。 根據(jù)式 (1012) （ 3）厚度計(jì)算 解： （ 4）校核水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力 16MnR的屈服極限 ζs=345MPa（附表 6） = 345 = 248MPa 水壓試驗(yàn)時(shí)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。 sT ??? ?)( )( MP aT ?? ???seeiTTDp ????? 2)( ???式中， )(][ ][ MP app tT ????? ??)1]/[][,2 0 0( ?? tt ??)( mmCne ????? ??則 （ 1）根據(jù)介質(zhì)腐蝕性、設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力等信息，確定材料及腐蝕裕量 C1。 【 已知條件 】 圓筒內(nèi)徑 Di、設(shè)計(jì)壓力（或計(jì)算壓力）、設(shè)計(jì)溫度（工作溫度）、容器介質(zhì)腐蝕性 【 內(nèi)壓薄壁容器壁厚設(shè)計(jì)步驟 】 （ 2）根據(jù)選用的材料及設(shè)計(jì)溫度，查表確定材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力 [ζ]t。 （ 3）確定容器焊接及探傷方式（內(nèi)徑較大時(shí)采用雙面焊，內(nèi)徑較小時(shí)只能采用單面焊；重要容器全檢，一般容器局部檢），查表確定容器的焊接接頭系數(shù) φ。 （ 5）根據(jù)計(jì)算厚度 δ和腐蝕裕量 C2,確定容器筒體的設(shè)計(jì)厚度 δd。 （ 6）根據(jù)設(shè)計(jì)厚度 δd， 確定容器筒體的名義厚度 δn范圍 ，通過(guò)查表確定鋼板負(fù)偏差 C1。 （ 7）計(jì)算 δd+ C1，并向上圓整（鋼板厚度 630時(shí)，厚度間隔為 1mm， 3060時(shí)厚度間隔 2mm），最后得到筒體的名義厚度 δn，也就是圖樣上標(biāo)注的厚度。 （ 8）必要時(shí)校核水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力。 （ 4）根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、容器內(nèi)徑，用公式確定容器的計(jì)算厚度 δ。 【 例 103】 某化工廠(chǎng)反應(yīng)釜，內(nèi)徑為 1600mm。工作溫度為 5℃ ～ 105℃ ，工作壓力為 ，釜體材料用0Crl8Ni9。采用雙面對(duì)接焊縫，局部無(wú)損探傷，凸形封頭上裝有安全閥，試計(jì)算釜體壁厚。 解： 已知 Di=1600mm。 查附表 6， 0Crl8Ni9在 105℃ 時(shí)的，其許用應(yīng)力 查表 109，采用雙面對(duì)接焊縫，局部無(wú)損探傷，故取 介質(zhì)對(duì)不銹鋼腐蝕極微， 取 C2=0。 因裝安全閥，取設(shè)計(jì)壓力 P= =。 [ζ]105=137MPa。 φ=。 估計(jì) δn=825mm。 查表 1010， 取 C1= 則 δd+C1=+=，圓整后取 δn=13mm 。 常用鋼板厚度 1 1 1 1 22 2 …… 【 例 104】 今欲設(shè)計(jì)一臺(tái)反應(yīng)器，直徑為 3000mm，采用雙面對(duì)接焊縫， 100％探傷。 工作壓力 為 ，工作溫度 450℃ ，試用 20R和 16MnR兩種材料分別設(shè)計(jì)反應(yīng)器的厚度，并作分析比較。 解： 已知 Di=3000mm， P=1. 8MPa， φ=1， C2=2mm（腐蝕很小，取 1mm，腐蝕較嚴(yán)重，取 2mm，一般考慮單面腐蝕） （ 1）采用 20R鋼 [ζ] 450=61MPa 鋼板負(fù)偏差取 C1=，圓整后 δn=50mm （ 2）采用 16MnR [ζ] 450℃ =66MPa 鋼板負(fù)偏差取 C1=，圓整后 δn=46mm 比較兩種材料設(shè)計(jì)反應(yīng)器厚度可知， 16MnR比 20R節(jié)省材料。 【 例 105】 乙烯貯罐，內(nèi)徑 1600mm，壁厚 16mm， 設(shè)計(jì)壓力 為 ，工作溫度－ 35℃ ，材料為 16MnR 。采用雙面對(duì)接焊，局部無(wú)損探傷，壁厚附加量 C＝，試校核強(qiáng)度。 解： 已知內(nèi)徑 Di=1600mm， δn=16mm。 δe=δn－ C=16－=。 P=。 16MnR在 20℃ 時(shí)的許用應(yīng)力 [ζ] 20=170MPa。取 φ=。 則設(shè)計(jì)溫度下筒體的應(yīng)力為： φ [ζ] 20= 170= 因 σ t＜ φ [σ ]20， 所以，容器的強(qiáng)度是足夠的。 作 業(yè) 習(xí)題： P224 4， 8 外壓圓筒設(shè)計(jì) 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。 一、外壓容器失穩(wěn) 外部壓力大于內(nèi)部壓力的容器稱(chēng)為 外壓容器 。 舉例：真空冷凝器 ， 夾套反應(yīng)釜 外壓容器的定義 夾套反應(yīng)釜 真空冷凝器 薄壁圓筒 δ4σ 1pD?環(huán)向應(yīng)力 δ2σ 2pD?δ— 計(jì)算厚度， mm； D— 筒體中面直徑， mm。 經(jīng)向應(yīng)力 壓應(yīng)力 外壓薄壁容器的應(yīng)力 如果壓應(yīng)力 ζ2 超過(guò)材料的 ζs或 ζb時(shí)，會(huì)不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞？ —— 極少發(fā)生 ！ 外壓容器，當(dāng)外壓載荷增大到某一值時(shí)，筒體會(huì)突然失去原來(lái)的形狀，被 壓扁 或出現(xiàn) 波形 ，載荷卸去后，筒體不能恢復(fù)原狀，這種現(xiàn)象稱(chēng)為外壓容器的 彈性失穩(wěn) 。 容器發(fā)生失穩(wěn)后，不能正常工作，造成容器失效。 外壓容器的失穩(wěn) 失穩(wěn)后的外壓容器 容器發(fā)生失穩(wěn)時(shí)，筒壁內(nèi)的壓縮應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限。這說(shuō)明失穩(wěn)不是材料強(qiáng)度不足引起的。 失穩(wěn)前 失穩(wěn)時(shí) 單純壓應(yīng)力 ζ2 ζ1 以 彎曲應(yīng)力 為主的附加應(yīng)力 突然變形 外壓容器失穩(wěn)，在性質(zhì)上與 受壓細(xì)長(zhǎng)桿 失穩(wěn)相似，實(shí)際上也是容器從一種平衡狀態(tài)向另一種平衡狀態(tài)突變。 失穩(wěn)后 筒體壓扁或出現(xiàn)波形 平衡狀態(tài) 平衡狀態(tài) 迅速發(fā)展 外壓達(dá)到某一臨界值 形狀及應(yīng)力狀態(tài)突變 二、容器的失穩(wěn)形式 容器的失穩(wěn)主要分為 整體失穩(wěn) 和 局部失穩(wěn) ，整體失穩(wěn)又分為 側(cè)向失穩(wěn) 和 軸向失穩(wěn) 。 側(cè)向失穩(wěn) 外壓容器的側(cè)向失穩(wěn)由 均勻側(cè)向外壓 引起。特點(diǎn) :橫斷面 由圓形變?yōu)椴ㄐ巍? p 軸向失穩(wěn) 外壓容器的軸向失穩(wěn)由 軸向壓應(yīng)力 引起，失穩(wěn)后其經(jīng)線(xiàn)由原來(lái)的直線(xiàn)變?yōu)椴ㄐ尉€(xiàn)，而橫斷面仍為圓形。 p 局部失穩(wěn) 容器在支座或其他支承處，以及在安裝運(yùn)輸過(guò)程中，由于過(guò)大的 局部外壓 引起的失穩(wěn)（ 局部被壓癟或皺折 ）。 三、臨界壓力計(jì)算 筒體失穩(wěn)時(shí)所承受的外壓，稱(chēng)為 臨界壓力 。 筒體在臨界壓力作用下，筒壁內(nèi)存在的環(huán)向壓應(yīng)力稱(chēng)為 臨界應(yīng)力 。 臨界壓力 Pcr 臨界應(yīng)力 ζcr 工程上根據(jù)失穩(wěn)破壞情況，將外壓圓筒分為 長(zhǎng)圓筒 、 短圓筒 和 剛性筒 三類(lèi)。 長(zhǎng)圓筒 30212??????????DEp etcr?? 當(dāng)圓筒足夠長(zhǎng)， 兩端封頭對(duì)筒體中間部分不起支撐作用 ，這樣的圓筒稱(chēng)為長(zhǎng)圓筒。長(zhǎng)圓筒最容易壓扁，壓扁時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)波形，即扁圓形。 臨界壓力計(jì)算式： Pcr－臨界壓力， MPa； δe－筒體有效厚度， mm D0－筒體外徑， mm。 Et－操作溫度下材料彈性模量， MPa μ－材料的泊松比 30212??????????DEp etcr??由上式可見(jiàn)：長(zhǎng)圓筒的臨界壓力只與圓筒的 相對(duì)厚度 δe/D0 有關(guān)，而與圓筒的 相對(duì)長(zhǎng)度 L/D0無(wú)關(guān)。 30 ?????????DEp etcr ?鋼制長(zhǎng)圓筒， μ= 短圓筒 若圓筒兩端封頭對(duì)筒體能起到支撐作用（ 對(duì)筒體變形有約束作用 ），這樣的圓筒稱(chēng)為短圓筒，壓扁時(shí)出現(xiàn)三個(gè)以上的波形。 臨界壓力計(jì)算式： ? ? 00//DLDEP etcr??L－筒體的 計(jì)算長(zhǎng)度 ，該長(zhǎng)度不是一般意義上的長(zhǎng)度，即 圓筒兩相鄰剛性構(gòu)件（剛性支撐 ,如封頭、法蘭、加強(qiáng)圈等）之間的最大距離 。 L中間 =兩加強(qiáng)圈中心線(xiàn)之間距離 整個(gè)容器無(wú)加強(qiáng)圈（圖 a） 容器上有 加強(qiáng)圈的 （圖 b） L兩側(cè) =加強(qiáng)圈中心線(xiàn)至筒體封頭焊縫處長(zhǎng)度 +封頭直邊段 +封頭深度 /3 短圓筒的臨界壓力不僅與圓筒的 相對(duì)厚度 δe/D0 有關(guān)，而且與圓筒的 相對(duì)長(zhǎng)度 L/D0有關(guān)。 ? ? 00//DLDEp etcr??剛性筒 若筒體較短，筒壁較厚，即 L/D0較小， δe/D0較大，容器剛性好， 不會(huì)因失穩(wěn)而破壞 ，這種圓筒稱(chēng)為剛性筒。剛性筒是強(qiáng)度破壞，計(jì)算時(shí)只要滿(mǎn)足強(qiáng)度要求即可，其強(qiáng)度校核公式與內(nèi)壓圓筒相同。 臨界長(zhǎng)度 一個(gè)實(shí)際外壓圓筒，是長(zhǎng)圓筒還是短圓筒，如何判斷？ —— 根據(jù)臨界長(zhǎng)度 Lcr來(lái)判斷 短圓筒 Pcr長(zhǎng)圓筒 Pcr L↑ 封頭支撐作用 ↓ 短圓筒 Pcr↓ 同厚同徑 L=Lcr 封頭支撐作用完全消失 短圓筒 Pcr=長(zhǎng)圓筒 Pcr 即有： ? ? 0030 //DLDEDEcretet ?? ?????????eoocrDDL??則得 臨界長(zhǎng)度 計(jì)算公式： crL短圓筒 長(zhǎng)圓筒 L L ＞ cr L 屬長(zhǎng)圓筒 ＜ cr L 屬短圓筒 影響圓筒臨界壓力的因素 （ 1）筒體幾何尺寸的影響 ? ? 00//DLDEp etcr??短圓筒： ★ L/D0 同， δe/D0 ↑，抗彎能力 ↑， Pcr ↑ ★ δe/D0 同， L/D0 ↓， Pcr ↑→長(zhǎng)圓筒 Pcr＜短圓筒 思考 ：如何在不改變圓筒長(zhǎng)度的條件下，將長(zhǎng)圓筒變?yōu)槎虉A筒？ ★ δe/D0 、 L/D0同，有加強(qiáng)圈者 Pcr高。 （ 2）筒體材料的影響 ? ? 00//DLDEp etcr??短圓筒： ★ Pcr與材料的屈服極限無(wú)直接關(guān)系。因筒體失穩(wěn)時(shí)，其壓應(yīng)力并沒(méi)達(dá)到材料的屈服極限； ★ 材料彈性模量 Et↑，抗變形能力 ↑， pcr ↑ 。 思考 ：用高強(qiáng)度合金鋼代替一般碳鋼制造外壓容器，能否提高筒體的臨界壓力？ —— 不能，因?yàn)楦鞣N鋼的彈性模量相差不大！相反還增加了容器的成本。 外壓圓筒形容器的 失穩(wěn) 破壞并不是由于筒體截面存在圓度誤差或材料不均勻引起的。無(wú)論筒體的形狀多么精確，材料多么均勻，當(dāng)外壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)都會(huì)發(fā)生 失穩(wěn) 。 筒體的不圓度與材料的不均勻性，能使其臨界壓力數(shù)值降低，使失穩(wěn)提前發(fā)生。 （ 3）筒體不圓度和材料不均勻性的影響 四、外壓圓筒的設(shè)計(jì) 外壓圓筒計(jì)算的三類(lèi)問(wèn)題： （ 1）已知圓筒尺寸，求許用外壓 [p]； （ 2） 已知工作外壓，求圓筒所需厚度； 算法概述 （ 3）已知圓筒尺寸和工作外壓，校核圓筒穩(wěn)定性。 （ 1）許用外壓 思考：只要設(shè)計(jì)壓力 Pcr，外壓容器不發(fā)生失穩(wěn)？ ? ? 00//DLDEp etcr??短圓筒： 30 ?????????DEp etcr ?長(zhǎng)圓筒： 實(shí)際：如果設(shè)計(jì)壓力 接近 Pcr，外壓容器仍有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞！ ◆ 臨界壓力計(jì)算公式是在理想條件下得到的，即認(rèn)為 圓筒截面是規(guī)則的圓形 ，實(shí)際圓筒不可能是絕對(duì)圓的，所以實(shí)際筒體的 Pcr小于計(jì)算 Pcr； 原因分析 ◆ 實(shí)踐表明，許多長(zhǎng)圓筒或管子當(dāng)壓力達(dá)到 (1/2～1/3)Pcr時(shí)，就可能被壓扁； ◆ 容器實(shí)際工作壓力有可能大于設(shè)計(jì)壓力。 結(jié)論：不允許 在外壓等于或接近 Pcr時(shí) 進(jìn)行操作，必須有一定的安全裕度，即要規(guī)定一個(gè)小于 Pcr的許用外壓 [P]。 [P]— 許用外壓 ， MPa m— 穩(wěn)定安全系數(shù) ， 1， 其值取決于計(jì)算方法的準(zhǔn)確程度和筒體制造質(zhì)量 。 許用外壓 [P]和穩(wěn)定安全系數(shù) m 根據(jù) GB150— 1998《 鋼制壓力容器 》 的規(guī)定 m = 3 （ 2）外壓容器穩(wěn)定條件（設(shè)計(jì)準(zhǔn)則） 設(shè)計(jì)一臺(tái)外壓容器，應(yīng)使該容器的 設(shè)計(jì)壓力 P不超過(guò)許用外壓 [P] ，即 ： 根據(jù)穩(wěn)定條件設(shè)計(jì)容器壁厚時(shí)，通常采用 試算法 ，先假定 δ