Nanjing University of Technology食品机械基础食品机械基础第三篇第三篇 化工容器设计化工容器设计授课教师：仲兆祥授课教师：仲兆祥NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY第十章第十章 外压圆筒与封头的设计外压圆筒与封头的设计概述概述12临界压力临界压力3 外压圆筒的工程设计外压圆筒的工程设计外压圆筒加强圈的设计外压圆筒加强圈的设计4NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY第一节第一节 概述概述壳体壳体外部外部压力压力大于大于壳体壳体内部内部压力的容器称为外压容器压力的容器称为外压容器 (举例：真空冷凝器，夹套反应釜)1 1、外压容器的定义、外压容器的定义NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY1-搅拌器搅拌器 2-罐体罐体 3-夹套夹套 4-搅拌轴搅拌轴 5-压出管压出管 6-支座支座 7-人孔人孔 8-轴封轴封 9-传动装置传动装置 夹套反应釜结构图夹套反应釜结构图NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY薄壁圆筒薄壁圆筒环向薄膜应力环向薄膜应力 计算厚度，计算厚度，mmmm；D D筒体中间面直径，筒体中间面直径，mmmm。经向薄膜应力经向薄膜应力压应力压应力2 2、外压薄壁容器的受力、外压薄壁容器的受力NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY承受外压载荷的壳体，当外承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳压载荷增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸被压扁或出现波纹，载荷卸去后，壳体不能恢复原状，去后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的这种现象称为外压壳体的失稳失稳。3、失稳及其实质、失稳及其实质失稳后的情况失稳后的情况NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYNANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY外压容器失稳的过程外压容器失稳的过程 失稳前，壳壁内存在有压应力，外压卸掉后变形完全恢复； 失稳后，壳壁内产生了以以弯弯曲曲应应力力为主的复杂应力。为主的复杂应力。 失稳过程是瞬间发生瞬间发生的。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY侧向失稳侧向失稳容器由均匀侧向外压容器由均匀侧向外压引起的失稳，叫侧向引起的失稳，叫侧向失稳失稳 特点特点: :横断面横断面由圆形变为波形由圆形变为波形p1、按受力方向分为侧向失稳与轴向失稳、按受力方向分为侧向失稳与轴向失稳外压圆筒侧向失稳后的形状外压圆筒侧向失稳后的形状NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY轴向失稳轴向失稳 轴向失稳由轴向压应力引起，失稳后其轴向失稳由轴向压应力引起，失稳后其经线由原来的直线变为波形线，而横断经线由原来的直线变为波形线，而横断面仍为圆形。面仍为圆形。 p薄膜圆筒的轴向失稳薄膜圆筒的轴向失稳NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY整体失稳整体失稳局部失稳局部失稳 压应力均布于全部周向或径向，失压应力均布于全部周向或径向，失稳后整个容器被压瘪。稳后整个容器被压瘪。压应力作用于某局部处，失稳后局部压应力作用于某局部处，失稳后局部被压瘪或皱折，如容器在支座或其他被压瘪或皱折，如容器在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的支承处以及在安装运输中由于过大的局部外压引起的局部失稳。局部外压引起的局部失稳。2、按压应力作用范围分为整体失稳与局部失稳、按压应力作用范围分为整体失稳与局部失稳NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY第二节第二节 临界压力临界压力临界压力概念（临界压力概念（pcr) 当外压低于临界压力（p pcr)时, 压缩变形可以恢复； 当外压等于临界压力（ p= pcr）时，壁内压缩应力和变形发生突变，变形不能恢复。导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力。导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力。 筒体抵抗失稳的能力。筒体抵抗失稳的能力。此时筒壁内存在的压应力称为临界压应力，以此时筒壁内存在的压应力称为临界压应力，以cr表示。表示。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY二、影响临界压力的因素二、影响临界压力的因素 第一组（第一组（）：）：L/D相同时，相同时，/D大者临界压力高；大者临界压力高；第二组（第二组（）：）：/D相同时，相同时，L/D小者临界压力高；小者临界压力高；第三组（第三组（）：）：/D、L/D相同，有加强圈者临界压力高。相同，有加强圈者临界压力高。1、筒体几何尺寸的影响、筒体几何尺寸的影响NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY材料的弹性模数材料的弹性模数E和泊松比和泊松比越大，其越大，其抵抗变形的能力就越强，因而其临界抵抗变形的能力就越强，因而其临界压力也就越高。压力也就越高。但是，由于各种钢材的但是，由于各种钢材的E和和值相差不值相差不大，所以选用高强度钢代替一般碳素大，所以选用高强度钢代替一般碳素钢制造外压容器，并钢制造外压容器，并不能提高不能提高筒体的筒体的临界压力临界压力2、筒体材料性能的影响、筒体材料性能的影响NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY稳定性的破坏并不是由于壳体存在椭圆度稳定性的破坏并不是由于壳体存在椭圆度或材料不均匀而引起的。无论壳体的形状或材料不均匀而引起的。无论壳体的形状多么精确，材料多么均匀，当外压力达到多么精确，材料多么均匀，当外压力达到一定数值时也会失稳。一定数值时也会失稳。壳体的椭圆度与材料的不均匀性，能使其壳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，使失稳提前发生。临界压力的数值降低，使失稳提前发生。3、筒体椭圆度和材料不均匀性的影响、筒体椭圆度和材料不均匀性的影响NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY三、三、 长圆筒、短圆筒、刚性圆筒的定性描述长圆筒、短圆筒、刚性圆筒的定性描述 相对几相对几何尺寸何尺寸两端两端边界边界影响影响 临界压力临界压力失稳时失稳时波形数波形数长圆筒长圆筒忽略忽略2短圆筒短圆筒显著显著大于大于2的整数的整数刚性刚性圆筒圆筒不失稳不失稳NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY1.钢制长圆筒钢制长圆筒 临界压力公式： 从上述公式看，影响长圆筒临界压力的因素如从上述公式看，影响长圆筒临界压力的因素如何？何？ 除了与材料物理性质（除了与材料物理性质（E,）有关外，几何方有关外，几何方面只与厚径比（面只与厚径比（e/DO)有关，与长径比有关，与长径比（L/DO)无关。无关。 试验结果证明：长圆筒失稳时的波数为长圆筒失稳时的波数为2。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY推论：从长圆筒临界压力公式可得推论：从长圆筒临界压力公式可得相应的临界应力与临界应变公式相应的临界应力与临界应变公式临界压力临界压力临界应力临界应力应变应变应变与材料无关应变与材料无关, 只与筒体几何尺寸有关只与筒体几何尺寸有关NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2.钢制短圆筒钢制短圆筒临界压力公式： L为计算长度从公式看，短圆筒临界压力大小从公式看，短圆筒临界压力大小与何因素有关？与何因素有关？ 除了与材料物理性质有关外，除了与材料物理性质有关外，与圆筒的厚径比和长径比均有关。与圆筒的厚径比和长径比均有关。 试验结果证明：短圆筒失稳时短圆筒失稳时的波数为大于的波数为大于2的整数。的整数。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY3.刚性圆筒刚性圆筒 刚性圆筒不会因失稳而破坏。破坏形式是强度破坏，即压缩应力破坏形式是强度破坏，即压缩应力许用外压力计算公式为：NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY作用作用: 用临界长度和作为长、短圆筒和刚性用临界长度和作为长、短圆筒和刚性圆筒的区分界限。圆筒的区分界限。刚性圆筒刚性圆筒短圆筒短圆筒长圆筒长圆筒4、 临界长度和长圆筒、短圆筒、刚性圆筒的定量描述临界长度和长圆筒、短圆筒、刚性圆筒的定量描述1、临界长度、临界长度NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY长圆筒临界压力公式长圆筒临界压力公式3)求解求解:NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY短圆筒临界压力公式短圆筒临界压力公式刚性圆筒最高刚性圆筒最高工作压力公式工作压力公式NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY4)结论结论刚性圆筒刚性圆筒短圆筒短圆筒长圆筒长圆筒若某圆筒的计算长度为若某圆筒的计算长度为 L ，则则： LcrL 属长圆筒属长圆筒 crL L L L crL L 属短圆筒属短圆筒 L L crL 属刚性圆筒属刚性圆筒 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY5. 计算长度的确定计算长度的确定L圆筒长封头直边段圆筒长封头直边段 端盖端盖1深度深度+ 端盖端盖2深度深度20002000 对于凸形端盖对于凸形端盖对于筒体上有加强圈的对于筒体上有加强圈的外圆筒的计算长度外圆筒的计算长度L有加强圈的筒体取相邻两加强圈的间距。有加强圈的筒体取相邻两加强圈的间距。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 第三节第三节 外压圆筒的工程设计外压圆筒的工程设计设计准则设计准则设计时必须保证计算压力满足下式：式中m稳定安全系数稳定安全系数。 圆筒、锥壳取3.0； 球壳、椭圆形及碟形封头取15。 m的大小取决于形状的准确性（加工精度） 、载荷的对称性、材料的均匀性等等。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY1、算图的由来、算图的由来圆筒受外压时，其临界压力的计算公式为：圆筒受外压时，其临界压力的计算公式为： 在临界压力作用下，筒壁产生相应的应力及应变即在临界压力作用下，筒壁产生相应的应力及应变即(13-7) (13-8) （1）几何参数计算图：）几何参数计算图：L/DoDo/eA 关系曲线关系曲线NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY将（将（13-7）式和（）式和（13-8）式分）式分别代入上式得：代入上式得：(13-13) (13-14) NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY令令 A= ， 以以A作为横坐标，作为横坐标，L/Do作为纵坐标，作为纵坐标， Do/e作为作为参量参量绘成曲线；见图绘成曲线；见图13-6ADo/eL/DoNANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY图图13-6 外压或轴向受压圆外压或轴向受压圆筒和管子筒和管子几何参数几何参数计算图计算图（用于所有（用于所有材料）材料）crNANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY（2）厚度计算图（不同材料）：）厚度计算图（不同材料）：BA关系曲线关系曲线 已知已知 L/Do，Do/e查查几何算图几何算图周向应变周向应变A（横坐标横坐标）找出找出APcr 的关系（类似于的关系（类似于crcr）判定筒体在操作外压力下是否安全判定筒体在操作外压力下是否安全（图（图13-6）NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY于是由于是由 可得可得 令令pcr=mp(13-16)NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY由于由于 若若以以 为横横坐坐标，B为纵坐坐标，将将B与与 (即即图中中A)关关系系用用曲曲线表表示示出出来来，我我们就就得得到到了了如如图137所所示示的的曲曲线。利利用用这组曲曲线可可以以方方便便而而迅迅速速地地从从 找到与之相找到与之相对应的系数的系数B，并并进而用而用(1316)式求出式求出p。AB图图13-7 外压圆筒的许用应力与应变的关系外压圆筒的许用应力与应变的关系NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY系数系数A=cr系数系数B/MPa图 13 -7 外压圆筒、管子和球壳厚度计算图(屈服点s207MPa的碳素钢和0Cr13、1Cr13钢)图 -8 外压圆筒、管子和球壳厚度计算图(屈服点s207MPa的碳素钢和0Cr13、1Cr13钢)NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY（二）外压圆筒和管子厚度的图算法（二）外压圆筒和管子厚度的图算法 (2)查查A系数：在图系数：在图13-6纵坐标上找到纵坐标上找到 ，由此点水平移动与线由此点水平移动与线 相交，再垂直下移相交，再垂直下移在横坐标上读得系数在横坐标上读得系数A(3)由由材料选用图材料选用图13-8至图至图13-15,在横坐标上找在横坐标上找出系数出系数A，若，若A在设计温度的材料线右方，则在设计温度的材料线右方，则垂直移动与材料温度线相交，再水平右移得垂直移动与材料温度线相交，再水平右移得B系数并按系数并按(13-17)计算许用外压力，计算许用外压力， 若若A值在值在材料温度线左方，按式（材料温度线左方，按式（13-18）计算）计算(13-18)(13-17)(1)假设，令假设，令 ，求出，求出和和(4)比较计算压力比较计算压力Pc与许用外压力与许用外压力P，要，要求求Pc P且比较接近且比较接近 情况情况1NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY情况情况2(1)用与用与D0 / e 20时相同的步相同的步骤得到系数得到系数B。但但对于于D0 / e 0.10.1时，取取A=0.1=0.1。 0取以下两取以下两值中的中的较小小值： 02 t 或或 00.9 st 或或0.9 0.2t(2)用步用步骤A所得系数所得系数B，下式下式计算算p1和和p2：(13-21) (13-20) (3) 所得所得p1和和p2中的中的较小小值为许用外用外压力力p。比比较 pc与与p，若若p cp，则需再假需再假设壁厚壁厚n， 重复上述重复上述计算步算步骤，直至，直至 p大于且接近于大于且接近于pc为止。止。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY试确定一外压圆筒的壁厚。已知计算外压力试确定一外压圆筒的壁厚。已知计算外压力Pc0.2MPa，内径内径Di1800mm，圆筒计算长度圆筒计算长度L10350mm，如图如图 (a)所示，设所示，设计温度为计温度为250，壁厚附加量取，壁厚附加量取C2mm，材质为材质为Q345R，其弹其弹性模量性模量Et186.4103MPa。(a) (b) hi/3 hiD0 L=10350 hi/3 hi/3 hiD0 hi/3 L=3450L=3450L=3450NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(1) 设筒体名义壁厚设筒体名义壁厚n14mm，则，则D0 1800+2141828mm 筒体有效壁厚筒体有效壁厚e n - C14-212 mm，则，则 LD01035018285.7；D0e 182812152；(D0e 20)。hi/3 hiD0 L=10350 hi/3 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(2) 在图在图136的左方找出的左方找出LD0 5.7的点，将其水平右移，的点，将其水平右移，与与D0 / e 152的点交于一点，再将点下移，在图的下方得到的点交于一点，再将点下移，在图的下方得到系数系数A0.00011；NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY0.000150.00020.00011NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(3)(3)在在图图13101310的下方找到系数的下方找到系数A A0.000110.00011所对应的点，此点落在材所对应的点，此点落在材料温度线的左方，故利用料温度线的左方，故利用13131818式确定式确定 p p ： 显然显然 p p p p，故须重新假设壁厚故须重新假设壁厚n n或设置加强圈。现按设或设置加强圈。现按设两个加强圈进行计算两个加强圈进行计算( (仍取仍取n 14mm)14mm)。(b) hi/3 hiD0 hi/3 L=3450L=3450L=3450NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY(1) 设两个加强圈后计算长度设两个加强圈后计算长度L3450mm，则则 L LD D0 0 34503450182818281.91.9， D D0 0 / / e e 152 152 ；(2)由图由图136查得查得A0.00035；(3)(3)在图在图13-1013-10的下方找到系数的下方找到系数A=0.00035(A=0.00035(此点落在材料温度线的此点落在材料温度线的右方右方) )，将此点垂直上移，与，将此点垂直上移，与250250的材料温度线交于一点，再将的材料温度线交于一点，再将此点水平右移，在图的右方得到此点水平右移，在图的右方得到B=42.5 B=42.5 ； (4)按按(1317)式计算许用外压力式计算许用外压力p(5)比较比较pc与与p，显然，显然p c=0.2MPa p， 且较接近，故取且较接近，故取e12mm合适。合适。 则该外压圆筒采用则该外压圆筒采用n n14mm14mm的的Q345RQ345R钢板制造，设置两个加强钢板制造，设置两个加强圈，其结果是满意的圈，其结果是满意的。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY外压圆筒加强圈的设计外压圆筒加强圈的设计加强圈的作用与结构一.加强圈的作用由短圆筒的临界压力公式： 可知在圆筒的Do、e是确定的情况下， 减小减小L值，可提高临界压力值，可提高临界压力 ，从而提高许用操作外压力。加强圈的加强圈的作用：作用： 缩短圆筒计算长度，提高圆筒刚度。缩短圆筒计算长度，提高圆筒刚度。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY加强圈的结构加强圈的结构NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY加强圈的间距加强圈的间距由钢制短圆筒临界压力公式：式中 Ls作为加强圈间距 mm当D0和e已定，所需加强圈最大间距为：加强圈个数： n = ( L / Ls ) - 1NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY加强圈安装在筒体外面： 加强圈安装在筒体内部：加强圈与筒体的连接加强圈与筒体的连接NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY加强圈与筒体的连接加强圈与筒体的连接间断焊见GB150规定。