1、 外压容器外压容器 第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性 第二节第二节 外压圆筒与外压球壳的图算法外压圆筒与外压球壳的图算法 第三节第三节 外压圆筒的加强圈计算外压圆筒的加强圈计算 第四节第四节 外压封头计算外压封头计算 第五节第五节 轴向受压圆筒轴向受压圆筒 第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性 一、外压容器的失稳一、外压容器的失稳 二、外压薄壁圆筒临界压力计算二、外压薄壁圆筒临界压力计算 三、临界长度与计算长度三、临界长度与计算长度 第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。外压容器外压
2、容器 在石油、化工生产中，许多容器和设备要在外压下操作。在石油、化工生产中，许多容器和设备要在外压下操作。应用举例应用举例（1）真空操作容器或贮槽、减压精馏塔的外壳）真空操作容器或贮槽、减压精馏塔的外壳 （2）用于加热或冷却的夹套容器的内层壳体）用于加热或冷却的夹套容器的内层壳体 第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）外压容器薄膜应力计算方法与内压容器相同，外压容器薄膜应力计算方法与内压容器相同，唯一不同点是应力的方向相反（唯一不同点是应力的方向相反（弹性失效准则弹性失效准则），），承受内压时，圆筒薄膜应力为拉应力，承受外压承受内压时，圆筒薄膜应力为拉应力，承受外压时，圆筒薄膜
3、应力为压应力。时，圆筒薄膜应力为压应力。刚度不足而发生失稳破坏刚度不足而发生失稳破坏（讨论重点）（讨论重点）强度强度不足而发生压缩屈服失效不足而发生压缩屈服失效 承承受外压壳受外压壳体失效形式：体失效形式：第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）运输中容器失稳运输中容器失稳 第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）一、外压容器的失稳一、外压容器的失稳 失稳现象失稳现象 定义定义:实质实质:从一种平衡状态跃到另一种平衡状态从一种平衡状态跃到另一种平衡状态;应力从压应力变为弯应力。应力从压应力变为弯应力。承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到承受外压载荷的壳体，当外压载荷
4、增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，某一值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸去后，壳体不被压扁或出现波纹，载荷卸去后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的能恢复原状，这种现象称为外压壳体的屈屈曲曲（buckling）或）或失稳失稳（instability）。）。第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）波纹数波纹数n=2 波纹数波纹数n=3 波纹数波纹数n=5 波纹数波纹数n=4 具体表现具体表现横断面由圆变为波浪形，与壳体长度有关横断面由圆变为波浪形，与壳体长度有关 外压失稳外压失稳的形状：的形状：第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续
5、）轴向非对称失稳轴向非对称失稳 轴向对称失稳轴向对称失稳 外压对称失稳外压对称失稳 第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）由于薄壁外压容器的失稳往往是在强度破坏前由于薄壁外压容器的失稳往往是在强度破坏前发生。因此外压容器的主要失效形式是容器丧失稳发生。因此外压容器的主要失效形式是容器丧失稳定性，保证外压容器的稳定性是外压容器正常工作定性，保证外压容器的稳定性是外压容器正常工作的必要条件。的必要条件。失稳类型失稳类型 弹性失稳弹性失稳 弹塑性失稳弹塑性失稳（非弹性失稳）（非弹性失稳）第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）弹性失稳：弹性失稳：对于壁厚对于壁厚t与直径
6、与直径D比很小的比很小的簿壁回转壳簿壁回转壳，失，失稳时，器壁的压缩应力通常低于材料的比例极限，稳时，器壁的压缩应力通常低于材料的比例极限，这种失稳称为这种失稳称为弹性失稳弹性失稳；非弹性失稳（弹塑性失稳）：非弹性失稳（弹塑性失稳）：当间转壳体厚度增大时，壳壁中的压缩应力，当间转壳体厚度增大时，壳壁中的压缩应力，超过材料的屈服点才发生失稳，这种失稳称为超过材料的屈服点才发生失稳，这种失稳称为非弹非弹性失稳性失稳或或弹塑性失稳弹塑性失稳。非弹性失稳的机理和理论分析远较弹性失稳非弹性失稳的机理和理论分析远较弹性失稳复杂，工程上一般采用简化计算方法。复杂，工程上一般采用简化计算方法。第一节第一节 外
7、压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）失效形式：失效形式：一种是因强度不足，发生压缩屈服失效；一种是因强度不足，发生压缩屈服失效；一种是因刚度个足，发生失稳破坏。一种是因刚度个足，发生失稳破坏。外部载荷形式：外部载荷形式：轴向载荷轴向载荷 周向载荷周向载荷 综合载荷综合载荷 第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）簿壁回转壳体承受均匀外压时，不仅在其周簿壁回转壳体承受均匀外压时，不仅在其周向均匀受压，同时可能在轴向受到均匀压缩载荷。向均匀受压，同时可能在轴向受到均匀压缩载荷。理论分析表明这种轴向外压对壳体失稳影响不大。理论分析表明这种轴向外压对壳体失稳影响不大。工程上主要讨论工程
8、上主要讨论受周向均匀外压薄壁回转壳体受周向均匀外压薄壁回转壳体的弹的弹性失稳问题。性失稳问题。第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）临界压力临界压力pcr 壳体失稳时所承受的相应压力。壳体失稳时所承受的相应压力。研究表明，薄壁园柱壳受周向外压，当外压力达研究表明，薄壁园柱壳受周向外压，当外压力达到一个临界值时，开始产生径向挠曲，并迅速增加到一个临界值时，开始产生径向挠曲，并迅速增加。沿周向出现压扁或几个有规则的波纹。沿周向出现压扁或几个有规则的波纹。波纹数波纹数n：与临界压力相对应，较少的波纹数相：与临界压力相对应，较少的波纹数相应于较低的临界压力（对于给定外直径和壳壁厚度应于
9、较低的临界压力（对于给定外直径和壳壁厚度的园柱壳）。的园柱壳）。第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）影响影响波纹数波纹数n和和临界压力临界压力pcr主要因素主要因素 注意注意:外压容器失稳的根本原因是由于壳体刚度不外压容器失稳的根本原因是由于壳体刚度不足，并不是由于壳体存在椭圆度或材料不均匀所致。足，并不是由于壳体存在椭圆度或材料不均匀所致。即即椭圆度和材料不均匀对失稳的性质无影响，只影椭圆度和材料不均匀对失稳的性质无影响，只影响使响使pcr。与圆柱壳端部约束形式、约束之间距离和圆柱壳上两与圆柱壳端部约束形式、约束之间距离和圆柱壳上两个刚性元件之间距离个刚性元件之间距离L有关
10、；有关；随着壳体材料随着壳体材料t弹性模量、泊松比的增大而增加；弹性模量、泊松比的增大而增加；非弹性失稳的临界压力，还与材料的屈服点有关。非弹性失稳的临界压力，还与材料的屈服点有关。第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）求求 、crpcrcrL理想圆柱壳小挠度理论理想圆柱壳小挠度理论 线性平衡方程和线性平衡方程和挠曲微分方程；挠曲微分方程；tDwt失稳时圆柱壳体的应力仍失稳时圆柱壳体的应力仍 处于弹性范围。处于弹性范围。圆柱壳厚度圆柱壳厚度t与半径与半径D相比相比 是小量，是小量，位移位移w与厚度与厚度t相相 比是小量比是小量(,)假设假设 理论理论 目的目的 第一节第一节 外
11、压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）工程中，在采用小挠度理论分析基础上，引进稳工程中，在采用小挠度理论分析基础上，引进稳定性安全系数定性安全系数 m，限定外压壳体安全运行的载荷。，限定外压壳体安全运行的载荷。（1）壳体失稳的本质是几何非线性的问题）壳体失稳的本质是几何非线性的问题（2）经历成型、焊接、焊后热处理的实际圆筒，）经历成型、焊接、焊后热处理的实际圆筒，存在各种初始缺陷，如几何形状偏差、材料性能存在各种初始缺陷，如几何形状偏差、材料性能不均匀等不均匀等（3）受载不可能完全对称）受载不可能完全对称 小挠度线性分析会与实验结果不吻合。小挠度线性分析会与实验结果不吻合。该理论的局限该理论的
12、局限 第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）外压圆筒的稳定条件外压圆筒的稳定条件 mpppcr 稳定系数。稳定系数。临界压力，临界压力，许用外压力，许用外压力，计算压力，计算压力，mMPapMPapMPapcrc第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）稳定系数（稳定系数（稳定性安全系数稳定性安全系数）m：确定确定稳定系数稳定系数m，要全面考虑所用理论公式的精确，要全面考虑所用理论公式的精确程度，制造技术所能保证的质量（如形状公差），程度，制造技术所能保证的质量（如形状公差），焊接结构形式等因素。焊接结构形式等因素。如果所取如果所取m太小，会对制造要求过高；太小，会
13、对制造要求过高；如果如果m太大则使设备笨重，造成浪费太大则使设备笨重，造成浪费 第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）我国我国GB 1501998钢制压力容器钢制压力容器规定规定 取外压圆筒的稳定系数取外压圆筒的稳定系数m=3。在制造技术要求中则对外压圆筒相应规定椭圆在制造技术要求中则对外压圆筒相应规定椭圆度度0.5D（D为圆筒的公称直径），且为圆筒的公称直径），且25mm。椭圆度为圆筒最大内径和最小内径之差与公称直椭圆度为圆筒最大内径和最小内径之差与公称直径之比径之比(Dmax-Dmin)D。圆筒壳的初始椭圆度会降低圆筒壳的临界压力。圆筒壳的初始椭圆度会降低圆筒壳的临界压力。
14、如果椭圆度如果椭圆度0.5，就不能再用，就不能再用m3，初始椭，初始椭圆度对外压圆筒的临界压力的产生影响。圆度对外压圆筒的临界压力的产生影响。第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）二、外压薄壁圆筒临界压力计算二、外压薄壁圆筒临界压力计算 外压薄壁圆筒的稳定性计算是以小挠度外压薄壁圆筒的稳定性计算是以小挠度理论为基础，此理论有以下假设：第一，筒理论为基础，此理论有以下假设：第一，筒体壁厚与半径相比是小量，位移与壁厚相比体壁厚与半径相比是小量，位移与壁厚相比是小量。从而可得到用位移表示的线性平衡是小量。从而可得到用位移表示的线性平衡微分方程；第二、失稳时简体的应力仍处于微分方程；第
15、二、失稳时简体的应力仍处于弹性范围。弹性范围。第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）外压圆筒分类：外压圆筒分类：L/Do和和Do/t较大时，其中间部分将不受两较大时，其中间部分将不受两端约束或刚性构件的支承作用，壳体刚端约束或刚性构件的支承作用，壳体刚性较差，失稳时呈现两个波纹，性较差，失稳时呈现两个波纹，n=2。L/Do和和Do/t较小时，壳体两端的约束或刚较小时，壳体两端的约束或刚性构件对圆柱壳的支持作用较为明显，性构件对圆柱壳的支持作用较为明显，壳体刚性较大，失稳时呈现两个以上波壳体刚性较大，失稳时呈现两个以上波纹，纹，n2。L/Do和和Do/t很小时，壳体的刚性很大，此
16、很小时，壳体的刚性很大，此时圆柱壳体的失效形式已经不是失稳，时圆柱壳体的失效形式已经不是失稳，而是压缩强度破坏。而是压缩强度破坏。刚性圆筒刚性圆筒 短圆筒短圆筒 长圆筒长圆筒 第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）1.长圆筒的临界压力长圆筒的临界压力 由于长圆筒的壳体足够长，故其失稳不由于长圆筒的壳体足够长，故其失稳不受筒端的约束作用，因此长圆筒的临界压力受筒端的约束作用，因此长圆筒的临界压力的计算方法与圆筒中离边界较远处切出的圆的计算方法与圆筒中离边界较远处切出的圆环的临界压力计算方法是相同的。在推导长环的临界压力计算方法是相同的。在推导长圆筒临界压力的理论公式时，可从长圆筒中圆筒临界压力的理论公式时，可从长圆筒中沿轴向切出宽度为沿轴向切出宽度为1个单位的圆环建立挠曲线个单位的圆环建立挠曲线的微分方程式并求解，进而求得长圆筒的临的微分方程式并求解，进而求得长圆筒的临界压力公式。界压力公式。第一节第一节 外压容器的稳定性外压容器的稳定性（续续）长圆筒的临界压力计算公式：长圆筒的临界压力计算公式：32crD1E2pe 对于钢质圆筒对于钢质圆筒（=0.3）：30ecrDE2