湖南大学
教案
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编号:13
课时安排:3学时 教学课型: 理论课
题目(教学章、节或主题):
第十章 外压圆筒与封头的设计
10.1 概述
10.2 临界压力
10.3 外压圆筒的工程设计
10.4 外压球壳与凸形封头的设计
10.5 外压圆筒加强圈的设计
教学目的要求(分掌握、熟悉、了解三个层次):
掌握外压容器的筒体和封头的稳定计算,包括稳定的概念、影响因素、设计准则和图算法的应用。
熟悉真空加强圈的计算。
了解压杆的稳定计算。
教学内容(注明:*重点 #难点 ,疑点)
1、 稳定的概念
1) 压杆的稳定性问题
压杆能在直线形状下维持稳定平衡是有条件的: P
2,出现三波、四波等的曲形波,这种圆筒称短圆筒。
短圆筒的临界压力不仅与圆筒的相对厚度,/D有关,同时也随圆筒的相对长度L/D00e
而变化。L/D越大,封头的约束作用越小,临界压力越低。短圆筒的临界压力计算公式为: 0
式中 L为筒体的计算长度
长圆筒与短圆筒临界压力的计算公式都是在认为圆筒截面是规则圆形及材料均匀的情况下得到的。实际使用的筒体都存在一定的圆度,不可能是绝对圆的,所以实际筒体的临界压力将低于由公式计算出来的理论值。但即使壳体的形状很精确和材料很均匀,当外压力达到一定数值时,也会失稳,只不过是壳体的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。
3)刚性筒
若筒体较短,筒壁较厚,即L/D较小,,/D较大,容器的刚性好,不会因失稳而破坏,00e
这种圆筒称为刚性筒。刚性筒是强度破坏,计算时只要满足强度要求即可,其强度校核公式与内压圆筒相同,其许用外压为:
t2[],,,e压p,[]WDS,ie
t材料在设计温度下的许用压应力 ,[],压
tt取,[]/4,,s压
4)临界长度
实际的外压圆筒是长圆筒还是短圆筒,可根据临界长度L来判定。介于长圆筒与短圆cr
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:当圆筒处于临界长度L时,则用长圆筒公式计算所得的临界压cr
力P值和用短圆筒公式计算的临界压力P值应相等。由此得到长、短圆筒的临界长度Lcrcrcr值为:
Do,1.17LD cro,e
若短圆筒与刚性圆筒之间的临界长度L’cr, 则:
计算长度L,Lcr时,圆筒为长圆筒;
L’cr,L,Lcr: 为短圆筒;
L,L’cr: 为刚性圆筒。
5)计算长度的确定
a. 有加强圈的筒体取相邻两加强圈的间距。
b. 与凸形封头相连的筒体,计算长度计入封头内高度的1/3。(参见P128图5-3)
4、外压圆筒的工程设计
外压圆筒计算常遇到两类问题,一是已知圆筒的尺寸,求它的许用外压 [p];另一是已给定工作外压,确定所需厚度,。 e
1)稳定设计计算准则
,Pcr压杆:, [],,,,,[],crcrnAc
外压容器:临界压力计算公式中临界压力的计算是在假定圆筒没有初始圆度条件下推导出来的,而实际上圆筒是存在圆度的。实践表明,许多长圆筒或管子一般压力达到临界压力值的 l,2,1,3时就可能会被压瘪。此外,考虑到容器有可能承担大于计算压力的工况,因此,不允许在外压力等于或接近于临界压力进行操作,必须有一定的安全裕度,使许用压力比临界压力小,即
pcr []pp,,m
式中[p]——许用外压,MPa; 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。稳定安全系数m的选取,主要考虑两个因素:一个是计算公式的可靠性;另一个是制造上所能保证的圆度。根据GB150-1998《钢制压力容器》的规定m=3,圆度与D/,、L/D有关。 0e0
2) 外压圆筒壁厚设计的图算法
算法概述
设计一台外压容器,应该使该容器的计算外压p小于许用外压[p],并接近[p],即稳定c
条件为:
pcr []pp,,cm
由于P或[p]都与筒体的几何尺寸(,、D、L)有关,通常采用试算法,先假定一个,,求cre0e出相应的[p],然后比较[p]是否大于或接近计算压力p以判断假设是否合理。 c
图算法
在求解外压圆筒的临界压力时,无论是长圆筒,还是短圆筒,其临界压力计算公式都可归纳成以下形式:
式中K为特征系数,它与圆筒尺寸,/D、L/D有关,即 00e
外压圆筒在临界压力作用下的周向应力为:
受径向均布外压作用的圆筒在临界压力下的周向应变为:
为了求解方便,将,与圆筒几何参数的关系绘成曲线,见外压或轴向受压圆筒和管子几何参数计算图,并在图中以A代替,,即可进行外压圆筒的设计。该图中的上部为垂直线簇,这是长圆筒情况,表明失稳时应变量与圆筒长度L/D无关;图的下部是倾斜线0
簇,属短圆筒情况,表明失稳时的应变与L/D、D/,都有关。图中垂直线与倾斜线交接点00e
处所对应的L/D是临界长度与外径的比。此算图与材料的弹性模量E无关,因此,对各种0
材料的外压圆筒都能适用。
不同的材料的A-B关系图不同,但都是外压圆筒的厚度计算图。常用的有五个:屈服点,,207MPa的碳素钢的,屈服点,,207MPa的碳素钢和0G13,1G13的,16Mn钢的,ss
15MnVR钢的,和0CrNi9钢的。
系数
故A-B的关系就是,与的关系,可以用材料拉伸曲线在纵坐标上按三分之二取值得到。由于同类钢材E值大致相同,而不同类别的钢材E值差别较大。因此,将屈服限相近钢种的A-B关系曲线划在同一张图上(即数种钢材合用一张图)。
由于材料的E值及拉伸曲线随温度不同而不同,所以每张图中都有一组与温度对应的曲线,表示该材料在不同的温度下的A-B关系,称为材料的温度线。每一条A-B曲线的形状都与对应温度的,一,曲线相似,其直线部分表示应力,与应变,成正比,材料处于弹性阶段。这时,E值可从附录中查出。B值可通过算出,故无须将此直线部分全部画出。图中画出了接近屈服的弹性直线段,而将其余直线部分截去了。
外压圆筒厚度设计方法
, 两类问题
a. 已知一个圆筒的外直径D0,壁厚δe及筒长L,求:圆筒的许可外压[p]。
pcr []p,m
b. 已知一个圆筒的设计外压p,D0和L,求:圆筒的有效壁厚δe。
[]pp,δ为所求有效是 e假定一个δe 计算[p] 壁厚
否
, 利用算图确定外压圆筒厚度的步骤:
1( D/,?20的外压圆筒及外压管 0e
a(假设,,计算,,,一C,定出L/D、D/,值; 00nene
b(在外压或轴向受压圆筒和管子几何参数计算图的左方找到L/D值的所在点,由此点0向右引水平线与D/,线相交(遇中间值,则用内插法)。若L/D,50,则用L/D=50查图,000e
若L/D,0.05,则用L/D,0.05 查图; 00
c. 由此交点引垂直线向下,在图的下方得到系数A;
d. 根据所用材料,从A-B关系图中选出适用的一张,在该图下方找到A值所在点。若A值落在该设计温度下材料温度曲线的右方,则由此点向上引垂线与设计温度下的材料线相交(遇中间温度值用内插法),再通过此交点向右引水平线,即可由右边读出B值,并按式(4-25)计算许用外压力[p]:
若A值处于该设计温度下材料曲线的左方,则用式(4-26)计算许用外压力[p]:
e(比较许用外压[p]与设计外压p。
若p?[p],假设的厚度,可用,若小得过多,可将,适当减小,重复上述计算; nn
若p,[p],需增大初设的,,重复上述计算,直至使[p],p且接近p为止。 n
2. D/,,20的外压圆筒及外压管子。 0e
a( 用与D/,?20相同的方法得到系数B,但对D/,,4的圆筒及管子应按式(4-27)00ee
计算系数A值:
系数A,0.1时,取A=0.1;
b(计算[p]和[p]。取[p]和[p]中的较小值为许用外压[p],式中,取以下两式中的较l2l20小值。
,,2.25[]0.0625pB,,,,1D/,0e,,
,,21,0[]1p,, ,,2DD//,,00ee,,
t,2[]0,,
tt,0.9或0.900.2s,,,
c([p]应大于或等于p,否则必须重新假设,重复上述计算,直至使[p],p且接近pn
为止。
5、外压容器的试压
外压容器和真空容器按内压容器进行液压试验,试验压力取1.25倍的设计外压,即
液压试验:pT = 1.25p
气压试验:pT = 1.15p
式中p-设计外压力,MPa; p-试验压力,MPa。 T
对于带夹套的容器,应在容器液压试验合格后再焊接夹套。夹套的内压试验压力按式(4-14)确定。做夹套内压试验时,必须事先校核该容器在夹套试压时的稳定性是否足够。如果容器在该试验压力下不能满足稳定性要求,则应在夹套做液压试验的同时,在容器内保持一定的压力,以便在整个试压过程中,夹套与筒体的压力差不超过设计值。夹套容器内筒如设计压力为正值时,按内压容器试压;如设计压力为负值时按外压容器进行液压试验。 6、外压球壳与凸形封头的设计
(1)外压球壳与球形封头的设计
设计步骤:
1)假设δn,则δe=δn-C 确定Ro/ δe;
0.1252)求A值: A,RoSe/
B3)查材料线确定B值,若A值落在材料线右侧,许用外压力为: P,,,/RS0e
t0.0833E若A值落在线左侧,用公式计算: P,,,2RS/,,0e
4)比较,若Pc,[P],须重新假设δn,直到[P]大于并接近Pc。
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。
(2)受外压(凸面受压)的椭圆形封头
受外压的椭圆形封头的厚度设计,计算步骤如下:
a. 假设,,计算,,,一C,算出R/,。其中R为椭圆形封头的当量球壳外半径,00nene
R=KD。K一由椭圆形长短轴比值决定的系数,
标准
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椭圆形封头K=0.9。 01011
b. 计算系数
c. 根据所用材料,从A-B的关系图中选出适用的一张,在该图下方找到A值所在点。
若A值落在该设计温度下材料温度曲线的右方,则由此点向上引垂线与设计温度下的材料线相交(遇中间温度值用内插法),再通过此交点向右引水平线,即可由右边读出B值,并按下式计算许用外压力[p]:
若A值处于该设计温度下材料曲线的左方,则用式(4-35)计算许用外压力[p]:
d(比较许用外压[p]与设计外压p。
若p?[p],假设的壁厚,可用,若小得过多,可将,适当减小,重复上述计算; nn
若p,[p],需增大初设的, ,重复上述计算,直至使[p],p且接近p为止。 n
7、加强圈
例题5-1说明,一个内径为2000mm、全长(包括两端封头)为7000mm的分馏塔,要保证它在0.1MPa的外压下安全操作,必须采用14mm厚的钢板制造。较簿钢板满足不了承受0.1MPa外压的要求。这是否说明较薄钢板不能用来制造较高压力的外压容器呢?工程实际中并不如此,在筒体上装上一定数量的加强圈,利用加强圈对筒壁的支撑作用,可以提高圆筒的临界压力,从而提高其工作外压。
扁钢、角钢、工字钢等都可用以制作加强圈,见下图。
在设计外压圆筒时,如果加强圈间距已选定,则可按上述图算法确定出筒体的厚度;如果筒体的D/,已确定,为了保证筒体能够承受设计的外压,可以从下式解出加强圈最大间0e
距:
加强圈的实际间距如小于或等于式(4-29)算出的间距,表明该圆筒能安全承受设计压力。
加强圈可设置在容器的内部或外部。加强圈与筒体之间可采用连续的或间断的焊接,当加强圈设置在容器的外面时,加强圈每侧间断焊接的总长度不应小于圆筒外圆周长的1/2;当设置在容器的里面时,焊缝总长度不应小于内圆周长度的1/3。间断焊接的最大间距,对于外加强圈,不能大于筒体名义厚度的8倍;对内加强圈,不能大于筒体名义厚度的12倍。
为保证强度,加强圈不能任意削弱或割断。对于设置在筒体外部的加强圈,这是比较容易做到的,但是对设置在内壁的加强圈有时就不能满足这一要求,如水平容器中的加强圈,
必须开排液小孔。允许割开或削弱而不需补强的最大弧长间断值,由圆筒上加强圈允许的间断弧长值图查出(图5-19)。
教学方式、手段、媒介:
主要采用多媒体教学,兼少量板书,重点掌握部分通过习题讲解和课堂讨论来加深理解。
讨论、思考题、作业:
作业:教材P147,习题一、二、三、四(1,2,4,6)
检测题:P244-207
1. 有一台聚乙烯聚合釜,外径1580mm,高7060mm,壁厚llmm,材质为0Crl8Ni9,
试确定釜体的最大允许外压力。(设计温度为200?。)
2. 今欲设计一台常压薄膜蒸发干燥器,内径为500mm,其外装夹套的内径为
600mm,夹套内通0.53MPa的蒸汽,蒸汽温度为160?,干燥器筒身由三节
组成,每节长1000mm,中间用法兰联接。材质选用Q235-A,夹套焊接条件
自定。介质腐蚀性不大,试确定干燥器及其夹套的壁厚。
3. 设计一台缩聚釜,釜体内径 1000mm,釜身高度为700mm,用0Crl8Ni9钢板
制造。釜体夹套内径为1200mm,用Q235-A钢板制造。该釜开始是常压操作,
然后抽低真空,继之抽高真空,最后通0.3MPa的氮气。釜内物料温度,275?,
夹套内载热体最大压力为0.2MPa。整个釜体与夹套均采用带垫板的单面手工
对接焊缝,局部探伤,介质无腐蚀性,试确定釜体和夹套壁厚。
4. 今有一直径为640mm,壁厚为4mm、筒长5000mm的容器,材料为Q235-A,
工作温度为200?,试问该容器能承受0.1MPa外压,如不能承受,应加几个
加强箍,
5. 试设计一中间试验设备-轻油裂解气废热锅炉汽包筒体及标准椭圆形封头的
壁厚,并画出封头草图,注明尺寸。己知设计条件为:设计压力1.2MPa,设
计温度为350?,汽包内径450mm,材质为16MnR,筒体带垫板,单面对接
焊缝,100,探伤。
6. 试设计一反应釜锥形底的壁厚,该釜内径为800mm,锥底接一公称直径
DN150(外径为159mm)的接管。锥底半顶角为45?,釜的设计压力为1.6MPa,
工作温度为40?,釜顶装有安全阀,介质无大腐蚀性,材质为Q235一A。
7. 试为一精馏塔配塔节与封头的联接法兰及出料口接管法兰。已知条件为:塔
体内径800mm,接管的公称直径为100mm,操作温度300?,操作压力
0.25MPa,材质Q235一A。绘出法兰结构图并注明尺寸。
8. 为一不锈钢(1Crl9Ni9)制的压力容器配制一对法兰,最大工作压力为1.6MPa,
工作温度为150?,容器内径为1200mm。确定法兰型式,结构尺寸,绘出零
件图。
9. 在直径为1200mm的液氨贮罐上开一个,450圆形人孔,试配制该人孔法兰(包
括法兰、垫片、螺栓)。
讨论:外压容器与内压容器失效破坏的区别,它们的设计准则各是什么,
参考书目:
1、陈国桓主编.《机械基础》.北京:化学工业出版社,教材出版2001 2、董大勤主编(化工设备机械基础(北京:化学工业出版社,1992、2003 1. 中华人民共和国国家标准,GB150-1998钢制压力容器,北京:中国标准出版社,
1998
2. 国家技术监督局,压力容器安全技术监督规程,北京:中国劳动社会保障出版社,
1999
3. 中华人民共和国行业标准 HG20660-1999《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸
危害程度分类》
4. 余国琮,化工机械手册,天津:天津大学出版社,1991
5. 贺匡国主编,化工容器及设备简明设计手册,北京:劳动人事出版社,1987 6. 张康达、洪起超主编,压力容器手册,北京:劳动人事出版社,1987 7. 余国琮,化工容器及设备,北京:化学工业出版社,1980
8. 董大勤,化工设备机械基础,北京:中央广播电视大学出版社,1993 9. 顾芳珍、陈国桓主编,化工设备设计基础,天津:天津大学出版社,1994 10. 刁玉伟等,化工设备机械基础,大连:大连理工学院出版社,1989 11. 化工设备设计全书编委会,化工容器设计,上海:上海科学技术出版社,1984 12. 聂清德等,化工设备设计,北京:化学工业出版社,1991
13. 中华人民共和国行业标准 JB4710-92《钢制塔式容器》
教师姓名:叶姣 职称: 副教授 2011年 10 月 日