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1、压力容器常规设计外压封头的设计,目录,一、压力容器总体结构二、压力容器外压分析的必要性三、失稳失效的设计准则四、压力容器的受力分析五、封头的设计1.封头的分类2.封头受内压的计算公式、外压的公式及计算过程,一、压力容器总体结构,一、压力容器总体结构,图1 压力容器总体结构,1-法兰；2-支座；3-封头拼接焊缝；4-封头；5环焊缝；6-补强圈；7-人孔；8-纵焊缝；9-筒体；10-压力表；11-安全阀；12-液面表,一、压力容器总体结构,封头,二、压力容器进行外压分析的必要性,1、压力容器 内压：产生应力和变形 显著变形 断裂 外压：设备中常遇见承受外压的壳体壳体外表面受到的压力高于大气压，且大
2、于内表面受到的压力。如，深海操作设备、用于加热或冷却的夹套容器的内层壳体。壳体外表面承受大气压力，而内部真空。如，真空操作的储槽壳体。,二、压力容器进行外压分析的必要性,2、失稳 失稳的现象 失稳就是稳定性失效,也就是受力构件丧失保持稳定平衡的能力。 外压失稳：容器外部压力大于内部压力。力。 压力容器壳体在承受均布外压作用时，壳壁中产生压缩应力，其大小与受相等内压时的拉伸应力相同。当外压载荷增大到某一值时，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，不能回复原状，这种现象称为外压壳体的失稳。,二、压力容器进行外压分析的必要性,失稳的现象,图2 圆筒失稳时出现的波纹,图3 圆筒形壳体
3、失稳后的形状,二、压力容器进行外压分析的必要性,临界压力 壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力，以Pcr表示，此时壳体中应力称为临界应力，以 表示。 1.外压低于Pcr，变形在压力卸除后能恢复其原先形状，即发生弹性变形。 2.达到或高于Pcr时，产生的曲波形将是不可能恢复的。 三、失稳失效的设计准则压力容器的设计中，应防止失稳发生。如：仅受均布外压的圆筒，外压应小于周向临界压力；由弯矩或弯矩和压力共同引起的轴向压缩，压应力应小于轴向临界应力。,四、压力容器的受力分析,1、薄壁圆筒的应力分析 薄壁圆筒在均匀内压P的作用下，圆筒上任意一点B将产生两个方向上的应力： 一是由内压作用在封头上而产生
4、的轴向拉应力，称为“轴向应力”， ； 二是由内压作用使圆筒均匀向外膨胀，在圆筒的切线方向产生拉应力，称为“周向应力”， 。 另外，器壁中沿壁厚方向还存在着径向应力 ，但是它相对于前两种应力要小得多，所以在薄壁圆筒中不予以考虑。,四、压力容器的受力分析,图4 薄壁圆筒内压作用下的应力,t,其中：t-圆筒厚度Di-圆筒内径D-圆筒中面直径Do-圆筒外径,四、压力容器的受力分析,对a图：轴向外力=轴向内力 得：对b 图： 得：,图5 薄壁圆筒在压力下的力平衡,四、压力容器的受力分析,已知 和 其中：t-圆筒厚度 D-圆筒中面直径 由第一强度理论得： 用 带入上式得,四、压力容器的受力分析,将D和K带
5、入到 可以求得t,其中：t-计算厚度Pc-计算压力Di-圆筒内直径 -焊接接头系数,五、封头设计,封头分类,五、封头设计,1.封头的分类半球形封头：半个或接近半个球形的壳体椭圆型封头：由半个椭球型壳体和一圆筒体直边组成碟形封头：较大半径Ri的球冠、较小半径r的环壳、一段筒体直边组成球冠形封头：是一部分球壳（球冠）,五、封头设计,图6 压力容器凸形封头的形式,（e）无折边锥形封头 （f）折边锥形封头（g）平板封头,五、封头设计,2.封头受内压的计算公式、外压的公式及计算过程 （1）凸形封头半球形封头 内压 在均匀内压作用下，薄壁球形容器的薄膜应力为相同直径圆筒的一半 ,是理想的结构形式。但是深度
6、大，冲压困难。常用于高压容器上。,使用范围： 相当于K小于等于1.33,式5-1,五、封头设计,外压 半球形封头失稳的临界压力为 引入稳定性安全系数m=14.52, 得球壳的许用外压力 令 ，根据 得：,式5-2,式5-3,式5-4,五、封头设计,外压 将P代入公式5-3中有 由B和P的关系，得到半球形封头的许用外压力,式5-6,式5-5,图7,五、封头设计,工程上：图算法图算法步骤： 1.先假设 ,而 ，按式5-5计算A，然后根据所选的材料选用图4-12至图4-15，由A查得B。再用式5-6计算许用外压力。 2.若A值落在材料温度线的左方，则直接用式5-3计算P， 最后比较压力Pc与P，如果
7、 ,则需要重新假设 重复上面的步骤 ，直到P大于且接近Pc为止。,五、封头设计,椭圆型封头 内压 1.封头中的应力=薄膜应力+封头和圆筒连接处的不连续应力 2.在一定条件下，椭圆形封头中的最大应力和圆筒轴向薄膜应力的比值与椭圆形封头长轴与短轴比a/b有关系。,图8,封头中最大应力的位置和大小均随a/b的变化而改变,五、封头设计,椭圆型封头 内压 3.应力增强系数或形状系数 4.k=封头上最大总应力/圆筒上周向薄膜应力 即K=封头上最大总应力/球壳上薄膜应力 5.对于a/b=1.02.6时，最大总应力为半径等于椭圆形封头直径的半球形封头薄膜应力的K倍。,五、封头设计,椭圆型封头 内压 6.封头厚
8、度 7.当 时，为标准椭圆封头， 此时K=1，封头厚度计算式为： 8.椭圆形封头最大允许工作压力,五、封头设计,椭圆型封头 外压 相同：外压稳定性计算公式和图算法步骤同外压的半球形封头一样。 不相同：Ro由椭圆形封头的当量球壳外半径 代替，K1是长短轴的比值 决定的系数，由下表可查得。,五、封头设计,碟形封头 内压 1.将过渡环的最大总应力和中心球面部分最大总应力之比用r/Ri的关系表示，可以得到球面部分最大总应力的近似修正系数,M,图9,五、封头设计,碟形封头 内压 2.碟形封头过渡区总应力为球面部分应力的M倍 3.封头厚度计算式为 外压 受外压的碟形封头，在均匀外压作用下，碟形封头的过渡区
9、承受拉应力，而球面部分是压应力，有发生失稳的潜在危险，为防止封头失稳的厚度计算仍可用半球形封头外压计算公式和图算法步骤，只是其中Ri用球面部分外半径代替。,五、封头设计,锥型封头,图10 锥壳结构模式,五、封头设计,锥型封头 外压 锥壳的临界压力可以表示为 其中 等效圆柱体的临界压力 由均布侧向外压圆筒的临界压力计算公式 几何关系,图11 外压圆锥壳体,五、封头设计,锥型封头 外压得到锥壳的临界压力：,其中 等效圆筒长度D1锥壳小端外直径D2锥壳大端外直径 等效圆筒壁厚,计算步骤同圆筒外压图算法一样。以上方法只适用于 的锥体，大于的部分用平盖计算。,五、封头设计,锥型封头 外压 方法：1.外压锥壳的计算 首先假设锥壳的名义厚度tn 再计算有效厚度te=(tn-c)cosa，然后按照外压圆筒的图算法进行外压校核的计算，并且以Le /DL代替L/ DO, DL/te代替DO /te 2.锥壳大端或小端和圆筒连接处存在压缩强度和周向稳定性的问题，在必要时应设置加强结构。,谢谢,
