压力容器基本知识 下载本文

c) 算出的[P]应大于或等于PC,PC为计算外压力,否则,应重新假设名义厚度δn,并重复上述步骤计算。直到[P]>PC,且接近于PC为止。 6.2 外压球壳

外压球壳所需的有效厚度按以下步骤计算:

假设δn,令δe =δn-C 定出Ro/δe; 用式下计算系数A

根据相应的材料图查出B,并按式下求出[P],

如在材料线图中A落在材料线的左方,则按下式6-5计算许用压力:

----------- ------------- 6-5

[P]应大于或等于Pc,否则须再假设δn,重复上述计算,直至[P]大于且接近Pc为止。

6.3 受外压圆筒和球壳计算图的来源简介 6.3.1 失稳现象和临界压力

1)在外压圆筒壁厚计算中,GB15O采用图表计算法,用简单的计算程序,借助两种图(表)求出结果。

两种图(表)中,一种是仅与几何形状参数有关的线图;另一种是仅与材料有关的线图。通过查图表计算许用压力,从而确定筒体的厚度。

计算受均匀外压下的圆筒壳体的膜应力,只需将外压力代入内压计算公式则可。

实际上,通常使用的外压圆筒形容器,当外压产生的压应力尚未达到材料的屈服点时,就会突然发生失去原形的压扁或褶皱现象,这主要是弯曲应力引起的,使壳体丧失稳定,这种现象,称为失稳。

容器失稳分为周向失稳和轴(经向)向失稳两种,周向失稳是因周向压缩薄膜应力所引起,轴向失稳是由容器轴向压缩薄膜应力造成的。容器周向失稳时,其横截面由圆形变成波形,轴向失稳时,原为直线的素线变为波形线。按容器的失稳范围大小,分整体失稳和局部失稳,通常外压容器的压瘪属于整体失稳。 在某外压力下,形状突然发生改变而产生瘪塌的失效形式,称为失稳,断面由容器被压瘪失稳时的最小外压力,称为临界压力。

临界压力大小的影响因素与壳体用的材料及其几何尺寸有关,几何尺寸包括圆筒计算长度L、外直径D0和有效厚度δe,用比值L/ D0和δe/ D0表达。 2)临界压力、临界应力与圆筒计算长度的关系

①非常长的圆筒体(长圆筒),两端的加强件对圆筒抗外压的能力起不了加强作用,失稳时圆筒截面压瘪成二波形,此时对临界压力有影响的只是外直径D0和筒体的有效厚度δe,即δe/ D0,此时的临界压力Pcr为:

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Pcr=2.2E(δe/ D0)3 ----------① 式中:E-材料的弹性模量,MPa;

根据临界压力求临界应力бcr的公式为бcr=PcrDo/2δe, 该公式可改写为

Pcr=2бcr(δe/ D0)

2бcr(δe/ D0)= 2.2E(δe/ D0)3

бcr/ E =1.1(δe/ D0)2 ----------①1

在①式中,如采用稳定系数m(即许用压力为临界压力的1/m,并取计算压力等于许用压力,通常取m=3)即[P]=Pcr/m

则计算压力为:令PC=[P];;式中可解出有效厚度,

相应的有效厚度为: ,如以m=3 代入,计算得的名义厚度为

不起作用的最小长度,称为临界长度,用Lcr表示,其值为:

当L≥Lcr,则该长度为L的圆筒为长圆筒。

②中等长度的圆筒,其长度L<Lcr,此时圆筒的临界压力Pcr与L/ D0和 δe/ D0有关,其值为:

Pcr=2.8E(δe/ D0)2。5/(L/Do) --------------② 2бcr(δe/ D0)= 2.8E(δe/ D0)2。5 /(L/Do)

бcr/ E =1.4(δe/ D0)1。5/(L/Do) ---------------②1 A=бcr/ E =1.4(δe/ D0)1。5/(L/Do)

③短圆筒:L足够短,使圆筒的破坏仅受材料的强度所确定,可按内压公式计算。

6.3.2 线图表绘制基理

在①1和②1式中,令A =бcr/ E,此处A是应变,则得①2及②2: :

A =1.1(δe/ D0)2 -------------------①2

及 A =1.4(δe/ D0)1。5/(L/Do)----------------②2

在对数坐标中,以A为横坐标,L/Do 为纵坐标,在长圆筒中,因①2中无L/Do,在图6-2中表现为与横坐标成垂直的一组线,即仅与δe/ D0有关;而图中的斜线组则是中圆筒部分,即由关系式②2做成的一组线。

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外压筒体中,给出L/Do和δe/ D0(图中为Do/δe),通过图6-2可查出A。 由于A =бcr/ E,其中弹性模量E与材料及设计温度有关,

故根据材料和设计温度下的不同E值,可做出各种线图,也称为材料线,在6-3至6-10各图中,其横坐标是A,纵坐标是临界应力бcr,知A和Et 可查到бcr。知бcr,通过公式бcr=PcrDo/2δe,即可求出Pcr。

在实际应用中,需要的是许用压力[P],故令[P]=Pcr/m, (m为稳定安全系数,取m=3.)。即Pcr=3[P],代入公式бcr=PcrDo/2δe后整理可得:

2/3бcr=[P]Do/δe,

式中,以бcr=AE代入,则[P]值为:

---------------------③

如令B=2/3·бcr=2/3·AE,横坐标A,纵坐标为B,通过A可查出B,并按下式求出[P]:

-----------------------------③1

6.4 外压圆筒加强圈的设计

设加强圈是为了减少圆筒的计算长度L,从而减少圆筒的壁厚。

对于设有加强圈的外压圆筒,外压容器计算中的支撑线,就是加强圈的中心线,加强圈的横截面处应有足够的惯性矩,使在支撑线中间的圆筒部分由于加强圈的作用不出现失稳现象。

加强圈所需的惯性矩按如下确定: 1)已知DO、LS,、δe 和 PC

LS—是从加强圈中心线到相邻两侧加强圈中心线距离的一半。若与凸形封头相邻,在长度中还应计入封头曲面深度的1/3,mm

选定加强圈的材料和截面尺寸,计算它的横截面积AS和加强圈与圆筒有效段组合截面的惯性矩IS。 2)计算B值:

3)通过B按图6-3~图6-10查出A,如无交点,则令A=1.5B/E 4)计算加强圈与圆筒组合段所需的惯性矩I

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IS≥I,否则,应选大惯性矩的加强圈,并重新计算,直至IS≥I

5)加强圈的设置:加强圈可设置在容器的外部或内部,应整圈围绕在圆筒的圆周上。

加强圈设在内部时要考虑流液通道;不论设在外部或内部,沿其断面开孔或间隙应不大于圆筒名义厚度的8倍,否则,有间隙的环带的不计入惯性矩,未带间隙的环带应具有加强圈需要的惯性矩。如开有断开式的间隙时,断开弧长应符合GB150中图6-12的规定。

容器内部的构件,若按加强圈的要求设计,也可作加强圈用。

加强圈与圆筒可段焊连接,当设置在容器外部时,加强圈每側间断焊接的总长,不应小于外圆周长的1/2,段间的最大间隙为8δn;当设置在容器里面时,应不少于圆周长的1/3,段间的最大间隙为12δn;其要求见图6-12和图6-13。 7.封头的设计和计算 7.1 封头标准

7.1.1现行标准 JB/T4746-2002 《钢制压力容器用封头》标准,包括并代替原JB4737-95 《椭圆形封头》、JB/T4729-94 《旋压封头》、JB576-64 《碟形封头》、JB/T4738-95 《900折边锥形封头》、 JB/T4739-95 《600折边锥形封头》。封头的规格尺寸的选用等可按JB/T4746。

该封头标准详细规定了封头的制造和验收要求,被列入GB150引用标准。 封头标记按如下规定: ①②Χ③─④⑤ ①-封头类型代号

椭圆形封头:以内径为基准, 类型代号为 EHA 标准型

以外径为基准, 类型代号为 EHB 标准型 碟形封头:Ri=1.0Di;r=0.15Di;DN=Di,代号为 DHA

Ri=1.0Di;r=0.10Di;DN=Di,代号为 DHB 折边锥形封头;分CHA CHB 和 CHC 球冠封头:PSH

②-封头公称直径 ;③-封头名义厚度;④-封头材料牌号;⑤-标准号JB/T4746

示例1:DN2400mm,δn20mm,Ri=1.0Di,r=0.15Di,材料 0Cr18Ni9碟形封头的标记是: DHA2400X20-0Cr18Ni9 JB/T4746

示例2 DN325mm, δn12mm,材料 16MnR,以外径为基准的椭圆形封头的标记是: EHB325X12-16MnR JB/T4746

7.1.2 封头型式及优缺点比较

GB150规定的封头包括:凸形封头、锥壳(锥形封头、锥形壳体)、变径段、平盖及紧缩口等。

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凸形封头中包括:椭圆形封头(标准型和非标准形)、碟形封头、球冠形封头(无折边球面封头)和半球封头。 各种封头的优缺点比较如下: 1)从受力情况看,依次为:半球形、椭圆形、碟形、锥形,平盖最差; 2)从制造上,平盖最容易制造,其次为锥形、碟形、椭圆形、半球形; 锥形封头虽然受力效果不佳,但有利于流体的排料。 7.2 椭圆形封头 7.2.1受内压的椭圆封头的计算 椭圆封头在内压作用下,其膜应力与圆筒相比,有明显的特点,在内压力作用下的圆筒体,无论轴向应力,还是环向应力,均为拉应力,内压筒体各部分总是膨胀,直径总是增大。而椭圆封头在内压力作用下,其短轴(沿轴线)方向发生伸长,而在长轴(沿直径)方向则趋向缩短,封头的截面形状向圆形转变,发生“趋圆现象”。 在内压作用下。在封头的过度段产生的环向应力为压缩应力,并随着长半轴/短半轴比值的增大而加剧,会导致封头环(周)向失稳,故椭圆封头设计中,除非已考虑内压的失稳问题,均应有最小有效厚度的规定。 在GB150的封头设计中规定:K≤1的椭圆封头的有效厚度,应不小于封头内径的0.15%;K>1的椭圆封头的有效厚度,应不小于封头内径的0.30% 其中K为椭圆封头的的形状系数, 其值列于表7-1。 Di/2hi Di/2hi K 2.6 1.7 2.5 1.6 2.4 1.5 表7-1 系数K值 2.3 1.4 2.2 1.3 2.1 1.2 2.0 1.1 1.9 1.0 1.8 K 1.46 1.37 1.29 1.21 1.14 1.07 1.00 0.93 0.87 0.81 0.76 0.71 0.66 0.61 0.57 0.53 0.50 椭圆形封头计算厚度按下式: 上式中:对标准椭圆封头(Di/2hi=2,0),K=1 7.2.2 受内压椭圆封头的应力分布情况 设椭圆封头的长半轴为a,即2a=D,短半轴为b,即曲面高hi=b,令k=a/b 如标准椭圆封头k = a/b = 2,P为内压力,δ 为计算厚度。 椭圆封头的经向应力公式: 经推导,经向应力σ1的公式是: …………① 式中:x是长轴上的点的坐标,由中点为0,至x=a,其应力变化情况是: 25 / 65