２０１０年第５期（总第１４９期） 应用能源技术 １３ 浅谈外压圆筒及其加强圈的设计 闰雪莲 （哈尔滨空调股份有限公司，黑龙江哈尔滨，１５００８８） 摘要：介绍了外压圆筒的设计方法、加强圈最大间距的计算、加强圈截面尺寸的确定方 法、加强圈的快速计算方法及外压圆筒的程序计算。 关键词：外压圆筒；加强圈；设计；程序计算 中图分类号：ＴＨ４９ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００９—３２３０（２０１０）０５—００１３—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｔｉｆｅｎｅｒｓ ｆｏｒ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌ Ｓｈｅｌｌ ＹＡＮ Ｘｕｅ．１ｉａｎ （Ｈａｒｂｉｎ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈａｒｂｉｎ １５００８８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ ｓｈｅＵ，ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｉｆｅｎｅｒｓ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｉｆｆｅｎｅｒｓ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｑｕｉｃｋｌｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｉｆｅｎｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌ ｓｈｅｌ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｅｘｔｅｒｎａｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；Ｓｔｉｆｅｎｅｒ；Ｄｅｓｉｎ；Ｐｒｇｏｇｒａｍ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ 压力容器设计中，除了承受内压的容器，还有 许多承受外压的容器，如直接空冷系统中的凝结 水箱就是外压容器，直接空冷系统中的主排气管 道和蒸汽分配管在机组正常运行时处于真空状 态，按ＧＢ１５０的规定必须按外压圆筒进行设计。 在外压圆筒及其加强圈设计方面进行总结。 Ｄ ｏ…＂５ １ 外压圆筒的设计 外压圆筒设计的２种方法：解析法和图算法。 １．１解析法求取外压圆筒许用压力 （１）假设简体的名义厚度８ ； （２）计算有效厚度８。； （３）求出临界长度Ｌ Ｌ。 ＝１．１７Ｄ。 。／８。，将圆筒的外压计算长度Ｌ与Ｌ。 进行比 较，判断圆筒属于长圆筒还是短圆筒； （４）然后根据圆筒类型，选用相应公式计算 临界压力Ｐ ，； ， 、３ 长圆筒临界压力：Ｐ ＝２．２Ｅｆ Ｌ／ｅ ｌ （１） 收稿日期：２０１０—０３—１０ 修订日期：２０１０—０３—２２ 作者简介：闰雪莲（１９７６一），女，工程师，主要从事电站空冷及 石化空冷产品的设计工作。 １４ 应用能源技术 ２０１０年第５期（总第１４９期） 法求取外压圆筒许用压力，这里就不作详细的介 绍。图算法与解析法的相同点就是需要反复试 算，比较繁琐。 围内的矩形截面加强圈的设计，现简要介绍一下 加强圈的快速计算公式。先计算出圆筒组合段所 需惯性矩： ，： ‘ ７．２ 加强圈最大间距的计算 设置加强圈，必须使其属于短圆筒才有实际 作用。当圆筒 ／Ｄ。已知，计算外压 给定时， 则可由短圆筒许用外压力公式推导出加强圈最大 ２７ （４） 然后求出加强圈厚度： ㈣ 间距的公式： ： “ＬＤ０ ４Ｏｏ／， Ｐ ＝ 。 所以加强圈之间最大间距 ｍａｘ： 一 （３） 由上式可以看出当加强圈数量越多， 越 小，则 越小。为了节约材料，通常采用减薄筒 体壁厚，增加加强圈个数的方法来解决外压筒体 稳定性问题。由于蒸汽分配管的加强圈需要连接 挡风墙，所以加强圈的间距一般取管束的宽度。 ３ 加强圈截面的确定 为了防止简体和加强圈的外压失稳，要求加 强圈必须有足够的刚度，即截面惯性矩。因此在 外压筒体计算长度和加强圈位置确定后，还需要 确定加强圈的截面尺寸。 加强圈通常采用扁钢、Ｔ型钢、角钢和工字 钢，在蒸汽分配管设计时一般采用扁钢和Ｔ型 钢，根据计算，相同厚度、相同截面尺寸的加强圈， 扁钢比Ｔ型钢的组合惯性矩更大，因而扁钢加强 圈比Ｔ型钢加强圈对简体的加强作用大，所以， 在选择加强圈时，优先选择扁钢加强圈。另外，对 于同样截面的扁钢加强圈，薄而高的加强圈比厚 而短的惯性矩大，其加强作用也大。因此在确定 加强圈的截面时，应尽可能选择薄而高的扁钢加 ４ 加强圈的快速计算 在参考文献［２］中，总结出了一种加强圈的 快速计算方法，该方法适用于短圆筒弹性失稳范 式中： ［Ｐ］——设计外压，ＭＰａ。 ，——圆筒组合截面所需惯性矩，／ｎｌＴｌ 。 Ａ ——圆筒起加强作用部分的面积，ｍｉｌｌ 。 ——加强圈高度，ｍ／ｎ。 ６ ——加强圈厚度，ｍｍ。 ——相邻加强圈的间距，ｎ＇ｌｌｎ。 上述式（４）、（５）可直接计算出加强圈的厚 度，其计算结果与ＧＢ１５０一致，比较方便。在使 用上两式时必须先确定ｔ和ｈ。，试算过程难以避 免，但不需要反复计算。这种方法比ＧＢ１５０计算 方便，对于经验丰富的设计者来说，采用这种快速 计算法还是可行的。 ５ 外压圆筒的程序计算 尽管上述的原则可以确定一些参数，但在计 算加强圈与筒体组合截面的惯性矩和所需的惯性 矩时，仍需反复试算。许多设计者都不愿意去进 行反复的大量运算，求出最经济合理的截面尺寸， 计算结果常偏于保守，这也是造成加强圈材料浪 费的一个重要原因。 根据ＧＢ１５０规定的外压圆筒及加强圈的计 算过程编制了一个小程序，设计者只需要输入设 计条件，然后由程序来完成运算过程，如果设计者 对计算结果不满意，则重新输入，直到找到加强圈 最佳的位置及截面尺寸。程序计算节省了大量的 人工计算时间，取得了很好的经济效益。 ６ 计算实例 下面就已３００ ＷＭ直接空冷空冷系统的蒸汽 分配管的设计为例，说明外压圆筒及其加强圈的 设计。蒸汽分配管的筒体分为两段，第一段的外 ２０１０年第５期（总第１４９期） 应用能源技术 １５ 径为 ２ ６２４，第二段的径径为６１ ７２０。以第一段 下图是笔者按ＧＢ１５０编制的外压加强圈校核程 序的计算结果，加强圈只需要采用１２０ ｍｍ× １０ ＩＴＩＩＴＩ的扁钢即可，其结果与按加强圈的快速计 简体的计算为例：设计压力Ｐ＝０．１ ＭＰａ，设计温 度Ｔ＝１２０℃，简体外径Ｄ。＝２ ６２４ ｍｍ，筒体的材 料为Ｑ２３５Ｂ，加强圈的间距Ｌ ＝３ ０２０ ｍｍ，腐蚀裕 算公式的计算结果一致。 量Ｃ２＝１ ｍｍ。 ６．１简体的设计 取简体的名义厚度 ＝１２ｍｍ，弹性模量Ｅ＝ ２０１．８ ｘ １０。ＭＰａ，取钢材的负偏差Ｃ ＝０．６５ ｍｍ， 则筒体的有效厚度 ＝１０．３５ ｍｍ，带人公式（２） 得Ｐ ：０．４５４ ８ ＭＰａ；取稳定性安全系数ｍ＝３，则 圆筒的许用外压［Ｐ］＝０．１５２ ＭＰａ。 下图是按ＧＢ１５０编制的外压筒体校核程序 的计算结果，许用外压［Ｐ］：０．１５３ １ ＭＰａ。如果 取筒体的名义厚度 ＝１０ ｍｍ，许用外压［Ｐ］＝ ０．０９０ ２ ＭＰａ，不满足设计要求。由以上２个计算 结果可以看出用解析法计算圆筒的许用外压与图 解法的计算结果一致。 ６．２加强圈的设计 蒸汽分配管的筒体属于短圆筒，所以可以用 上式（４）、（５）进行加强圈的计算，按公式（４）可计 算出，＝３７３×１０ ｍｍ，假设加强圈的高度ｈ ＝ １２０ ｍｍ，可计算出Ａ ＝２ ３４２．３ ｍｍ ，按公式（５）可 计算出ｂ ＞６．５ ｍｍ，加强环两侧各取１ ｍｍ的腐 蚀裕量，则简体的厚度至少为８．５ ｍｍ，圆整后取 加强环的名义厚度为１０ ｍｍ。 ７ 结语 （１）对于圆筒弹性失稳问题，可以采用解析 法对外压圆筒进行计算，而不必采用ＧＢ１５０的图 算法，计算结果更为准确。特别是对于大直径、薄 壁（Ｄ。／６ ＞１ ０００）的大型储罐类容器，ＧＢ１５０ 图表无法对此进行计算，只能采用解析法计算。 （２）加强圈应尽可能地减小厚度，增加高度。 这样能使用较少的材料，获得较大的组合惯性矩， 从而降低加强圈成本。 （３）外压圆筒设计最好采用程序计算。这样 不但可以节省时间，而且可以快速确定最佳的筒 体壁厚、计算长度及加强圈截面尺寸，从而取得较 好的经济效益。 参考文献 ［１］ＧＢ１５０．１９９８，钢制压力容器［Ｓ］．国家技术监督局． ［２］ 丁满福，王碧玲．外压容器环向加强圈快速计算 ［Ｊ］．石油化工设备，１９９９，（３）． ［３］ 陈强，孟阳君．钢筋混凝土圆管涵受力破坏实验研 究［Ｊ］．森林工程．２００９，２５（５）：４Ｊ４—４６．