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第五章 外压容器之圆筒及封头的设计. 5.1 概述 5.1.1. 外压容器的失稳. 均匀外压 —— 容器壁内产生 压应力 ； 外压在小于一定值时 —— 保持 稳定 状态； 外压达到一定值时，容器就失去原有稳定性突然瘪塌，变形不能恢复。 —— 失稳. 回忆压杆失稳过程中应力的变化：. ※ 压力小于一定值时，卸掉载荷，压杆恢复原形。 ※ 压力达到一定值时，压杆突然弯曲变形，变形不 能恢复。 ※ 失稳是瞬间发生的，压应力突然变为弯曲应力。. 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；
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第五章 外压容器之圆筒及封头的设计 5.1 概述 5.1.1.外压容器的失稳 均匀外压——容器壁内产生压应力； 外压在小于一定值时 ——保持稳定状态； 外压达到一定值时，容器就失去原有稳定性突然瘪塌，变形不能恢复。 ——失稳
回忆压杆失稳过程中应力的变化： ※压力小于一定值时，卸掉载荷，压杆恢复原形。 ※压力达到一定值时，压杆突然弯曲变形，变形不 能恢复。 ※失稳是瞬间发生的，压应力突然变为弯曲应力。
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，壳壁内产生了以弯曲应力为主的复杂应力。 失稳过程是瞬间发生的。
外压试验 ——失稳现象 长圆筒失稳 短圆筒失稳 带加强圈圆筒失稳 失稳后圆筒横截面的变化
5.1.2 容器失稳型式分类 变形：横截面由圆型突变为波形 （1）.侧向失稳 载荷——侧向外压
（2）.轴向失稳 载荷——轴向外压 失稳时经向应力由压应力突变为弯曲应力。 变形： ——经线变为波形
（3）.局部失稳载荷：局部压力过大 局部范围的壳体壁内的压应力突变为弯曲应力。
局部失稳： ——卧式容器中部失稳（慢放） ——支座处失稳（慢放）
5.2 临界压力 5.2.1 .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。 ——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σcr表示。
5.2.2 .影响临界压力的因素 1.筒体材料性能的影响 1）筒体失稳时壁内应力远小于材料屈服点 ——与材料的强度没有直接关系。 2）临界压力的计算公式 ——与材料的弹性模量（E)和泊桑比(μ)有直接关系。
2.筒体几何尺寸的影响 试件1 Pcr =500水柱 试件2 壁厚为试件（1）的3/5，其他相同 Pcr =300水柱 试件3 长度为试件（2）的2倍，其他相同 Pcr =120~150水柱 试件4 比试件（3）增加一个加强圈，其他相同 Pcr =300水柱
结论: 1).比较1和2 ，L/D相同时，S/D大者pcr高，； 2).比较3和2 ，S/D相同时，L/D小者pcr高； 3).比较3和4，S/D,L/D相同时，有加强圈者pcr高.
3.圆筒的椭圆度和材料不均匀性的影响 筒体失稳不是因为它存在椭圆度或材料不均匀而引起的。但是，筒体存在椭圆度或材料不均匀，会使其失稳提前发生。 椭圆度e=(Dmax –Dmin)/DN
5.2.3 长圆筒、短圆筒及刚性圆筒 1.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何？ 除了与材料物理性质（E,μ）有关外，几何方面只与径厚比（Se/DO)有关，与长径比（L/DO)无关。 试验结果证明：长圆筒失稳时的波数为2。
2.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与何因素有关？ 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。 试验结果证明：短圆筒失稳时的波数为大于2的整数。
3.刚性圆筒 σs 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 许用外压力计算公式为：
4 .临界长度 介于长圆筒与短圆筒之间，介于短圆筒与刚性圆筒之间的长度均称为临界长度。 确定临界长度的方法： 由长圆筒的临界压力等于短圆筒的临界压力 ——长圆筒与短圆筒之间的临界长度为： ——短圆筒与刚性圆筒之间的临界长度L’cr。 计算长度L＞Lcr时，圆筒为长圆筒； L’cr＜L＜Lcr为短圆筒； L＜L’cr时为刚性圆筒。
5. 计算长度的确定 （1）有加强圈的筒体取相邻两加强圈的间距。 （2）与凸形封头相连的筒体，计算长度计入封头内高度的1/3。
5.3 外压圆筒的工程设计 5.3.1.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。 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。
5.3.2 外压圆筒壁厚设计的图算法 1.算图的由来 思路：由已知条件（几何条件：L/Do,Do/Se 以及材质，设计温度） 确定许用外压力[p]， 判断计算压力是否满足： 几何条件 稳定条件 ε
1）确定ε~几何条件关系 得到如下关系式： ——得到“ε~几何条件”关系
算图来源分析： 第一步：由几何参数：L/DO和Do/Se，确定筒体应变值ε。作得如下算图1： 思考题：曲线中平行于纵轴的直线部分是什麽圆筒？ 倾斜部分？拐角部分？
第二步：由应变值ε，根据不同的材料及不同的设计温度，确定B值。公式为：第二步：由应变值ε，根据不同的材料及不同的设计温度，确定B值。公式为： 注意！ 弹性模量E随材料及其温度而变化。 第三步： 根据B值，确定许用外压。 公式为：
2.外压圆筒和管子厚度的图算法 对于DO/Se≥20的圆筒和管子： （1）假设Sn,则Se=Sn-C,计算L/Do,Do/Se； （2）根据L/Do,Do/Se，查图5-5，确定系数A(ε)；
●A值落在材料线的右方，做垂线交材料线一点，查得系数B。 ●A值落在材料线的右方，做垂线交材料线一点，查得系数B。 （3）根据系数A,查图5-7~图5-14—— ●A值落在材料线的左方，垂线交不到材料线上。 用下式计算： （4）比较pc与[p]，若满足pc≤[p]且接近，则设定的Sn有效。否则，重新设定Sn，重复上述步骤。
5.3.3 外压容器的压力试验 外压容器和真空容器以内压进行试压。 试验压力： 液压试验：pT = 1.25p 气压试验：pT= 1.15p 式中pT——试验压力，MPa； p——设计压力，MPa。 1.由两个或两个以上压力室组成的容器，在图纸上要分别注明试验压力，并校核相邻壳壁在试验压力下的稳定性； 2.压力试验前要校核圆筒试验应力。 注意！
5.4 外压球壳与凸形封头的设计 5.4.1 外压球壳和球形封头的设计 设计步骤： 1.假设Sn，则Se=Sn-C 确定Ro/Se; 2.求A值： 3.查材料线确定B值 若A值落在材料线右侧，许用外压力为： 若A值落在线左侧，用公式计算： 4.比较，若Pc＞[P],须重新假设 Sn，直到[P]大于并接近Pc。
5.4.2 凸面受压封头设计 球冠形封头、椭圆形封头、蝶形封头——计算步骤与外压球壳和球形封头一致。 注意： 1.计算方法； 2.半径取值—— 球冠形封头取球面内半径； 椭圆封头取当量球壳外半径； 蝶形封头取球面部分外半径。 祥见教材表5-2。
5.5 外压圆筒加强圈的设计 5.5.1 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、Se是确定的情况下， 减小L值，可提高临界压力，从而提高许用操作外压力。 ——加强圈的作用： 缩短圆筒计算长度，提高圆筒刚度。
二.加强圈的结构 1.加强圈的抵抗外压能力——抗弯能力 有抵抗能力的部分： 加强圈和圆筒有效段。
5.5.2 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Se已定，所需加强圈最大间距为： 加强圈个数： n = ( L / Ls ) - 1
5.5.3 加强圈与筒体的连接 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 间断焊 ——见GB150规定。
例题1 设计常压蒸发干燥器。干燥器内径为500mm，筒身长为3000mm。其外装夹套的内径为600mm，夹套内通以0.6MPa的蒸汽，蒸汽温度为160℃。材质均选用Q235-C.设计筒身及夹套的壁厚。 【解】一.设计干燥器筒身。 1.设计参数：Di=500mm, L=3000mm, pc=0.6-0=0.6MPa, C2=2mm（双面腐蚀），φ=0.8（单面带垫板对接焊，局部无损检验）。[σ]=113MPa, [σ]160=105MPa ，σs=235MPa 。
2.设计壁厚：（1）.设Sn=8mm,则Se=8-2-0.8=5.2mm DO=500+2*8=516mm, L/D0=3000/516=5.8， DO/Se=99。 （2）查图5-5，得A=0.00019 ，查图5-8，B=25MPa 。 （3）[p]=BSe/DO=25/99=0.25＜pc 稳定性不够，采取加加强圈方法。设置两个加强圈，则L=3000/3=1000mm . (1)设壁厚Sn=8mm,L/DO=1000/516=1.94,D0/Se=99 (2)查图5-5得A=0.00065,查图5-8得B=92。 (3)[p]=BSe/DO=92/99=0.91 ＞pc且接近。名义壁厚为8mm
3.水压试验校核: PT 1=1.25p=1.25×0.6=0.75MPa 干燥器筒体水压试验合格。 二.蒸汽夹套壁厚设计（内压容器）： 1.设计参数：pc=0.6MPa, Di=600mm,C2=1mm, φ=0.8(单面带垫板对接焊，局部无损检测）
2.计算壁厚： 查得C1=0.3mm ,名义壁厚Sn=4mm（满足最小壁厚要求）。 Se=4-1.3=2.7(mm) 3.水压试验校核：
例题2。设计氧化塔。塔体外设置内径为1米的夹套，材质为16MnR(GB6654-96),通以2.5MPa的蒸汽加热塔内物料。塔体内径为800mm,塔段计算长度为2米,最高工作温度为250℃,塔内操作压力为2.5MPa~3.0MPa 。塔体材料为 16MnR,内加衬里。塔体顶部安装安全阀。确定塔体及夹套的壁厚。 【解】一.塔体壁厚设计。 1.参数： Di=800mm,L=2000mm, t=250℃,C2=1mm(外壁）, 最高内压Pic=3×1.1=3.3(MPa) ， 最高外压POC=2.5(MPa) , φ=0.8(带垫板单面对接焊，局部无损检验），[σ]=170MPa, 2.按外压确定壁厚： （1）设Sn=20mm,则Se=20-1-0.25=18.75(mm),Do=840 mm.
（2）L/DO=2000/840=2.4 , DO/Se=840/18.75=45 查图5-5，A=0.0017,查图5-9，B=115 (3)[P]=115/46=2.5(MPa) (4) [p]=pc ,满足要求。 3.水压试验校核：PT=1.25p=1.25×2.5=3.125(MPa) 水压试验合格。
4.内压校核： 塔体壁厚取20mm满足内压要求。 二.夹套壁厚： 1.补充参数：pc=2.5MPa,C2=1mm，Di=1000mm。 2.计算壁厚： Se=12-1.8=10.2(mm)
3.水压试验校核： 夹套壁厚取12mm。 夹套水压试验压力为3.4MPa，高于塔体的许用外压2.5MPa。所以，在夹套做水压试验时，塔体应充以不小于1MPa的介质内压力。图纸应注明。 注意！
