压力容器的开孔与补强

1、压力容器的开孔与补强本章重点内容及对学生的要求：回转壳体上开小孔造成的应力集中；开孔补强的原则、补强结构和补强运算；不另行补强的要求；GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。第一节 容器开孔邻近的应力集中1、有关概念(1) 容器开孑L应力集中( Opening and stress concentration)在压力容器或设备上开孔是化工过程操作所决定的，由于工艺或者结 构的需要，容器上经常需要开孔并安装接管，例如：人孔、手孔、进料与 出料口等等。容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下列阻碍：开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。壳体与接管连接

2、的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。上述三种因素均使开孔或开孔接管部位的引力比壳体中的膜应力大， 统称为开孔或接管部位的应力集中。(2) 应力集中系数(stress concentration factor)常用应力集中系数Kt来描述开孔接管处的力学特性。若未开孔时的名 义应力为开孔后按弹性方法运算出的最大应力为(T max,则弹性应力集中系数为：maxKt容器设计中哼开孔应力集中程度 度上如何使N板开小孔的应力集中£开孔咨询题研究的/估算* Kt值;_打念到的削弱得到两大方向是:十台理的补强。Fig. 1 Variation in stress in a plate contai

3、ning a circular hole and su bjected to uni form tension设有一个尺寸专门大的巨型薄平板，开有一个圆孔，其小圆孔的应力 集中咨询题能够利用弹性力学的方法进行求解。承担单向拉伸应力开小圆 孔的应力集中如2图1所示只3要板宽在孔径的5倍以上，孔邻近的应力重r 1 o 1o , cos2量为:r2221 I平板开孔的宀孔的应力集中3a2°4 cos2 r在孔边一max 3.0应力集中系数：3、薄壁球壳开小圆如图2所示，球壳受双向平均拉 力为：“n Fig. 2* Variation i孑L边处r=a.5riII-maxT(2)2处，孔边沿

4、r a处：p/tIT申应力作用时，孔边邻近任意点的受tress in J sphere-shell containinga circular hole中系数 K纲max2.04、薄壁圆柱开小圆孔的.pH '：-*严_r如图3,所示，薄壁柱壳两向薄膜应力 r121124 cos2 1小圆孔，则孔边邻近任意点的受力为：7 TI一- F 一|c2I 1 a24 r誉dos2门 r .2T-1- sin2Fig. 34 Variatfon irf stress in a cylindricalole1 141 . 2a2 3a2孔边处 r=a, r=0,=(3-con2 ) 1, r =0。2

5、 孔边处径向截面处的应力集中系数的孔边r=a,处的最大应力应力集中系数小得多。pD2pD4,如果开有(3)shell containinga circular h然而在孔边二-处最大,2Kt = 2.5。而在另一个截面，即轴向截面 =0.5 1，此处应力系数Kt = 0.5,比径向截面的其他情形，例如开椭圆孔以及排孔等情形详见国标规定。针对开孔部 位的壳体或者封头壁厚为 ，直径为D，开孔的孔径为d时，在接管根部开 孔边缘处的应力集中现象出现如下的特点：最大应力在孔边，是应力集中最严峻的地点；应力集中具有局部性，其范畴也是极为有限的；应力集中的情形和开孔的孔径与直径的相对尺寸 d/D成正比，开孔

6、不 宜过大；应力集中和/D成反比；因此增大开孔四周壳体的壁厚，则能够极大 改善应力集中的情形，因此在开孔周围一定的范畴内，采纳焊接补强圈的 方法。球壳上开孔的应力集中系数稍低于通体上开孔的应力集中系数；因此 在可能的情形下，在封头上开孔，优于在壳体上开孔。5、应力集中对容器安全的阻碍接管和壳体均为具有良好塑性的材料制成，如果容器内介质压力平稳, 对容器的安全使用可不能有太大的阻碍；如果容器内有较大的压力波动，则应力集中区的金属在交变的高应力 作用下会显现反复的塑性变形，导致材料硬化，并产生疲劳破坏。应力集中是产生疲劳破坏的根源。:.并带有接管时的应替中系数 的是仅在壳体上开孔,6、开孑 以上讨

7、管，开孔处因为接管与壳体在内压作用下显现。例如球壳与圆管的连接如下图所示。因此接管对开孔边缘处的 集中阻碍也需ih.实际中通常是还在开孔处有接 变形和谐而导致不连续应力 管对开孑应力Fig. 4 Deformation and internal forces in the opening ofsphere shell应力集中系数曲线：为了便于设计、对不同直径的和不同厚度的壳， 带有不同直径与接管，按理论运算得到的应力集中系数绘制成一组组曲线。 应力集中系数曲线图绘制按照：壳体的直径，壳体厚度；接管的直径，接管厚度；接管形式的平齐接管，插入接管，的不同而绘制。第二节容器的开孔补强开孔部分的应力集

8、中将引起壳体局部的强度削弱，若开孔专门小并有 接管，且接管又能使强度的削弱得以补偿，贝y不需另行补强。若开孔较大， 就要采取适当的补强措施。一样容器只要通过补强将应力集中系数降低到一定的范畴即可。 按“疲劳设计”的容器必须严格限制开孔接管部位的最大应力。通过补强 后的接管区能够使应力集中系数降低，但不能排除应力集中。1、开孔补强的差不多原则当在容器开孔后，由于各种强度富余量的存在，开孔并非都要补强。 而在孔周围不需要进行补强的规定，称为开孔补强设计的差不多原则。(1)承诺不补强开孔的缘故应力集中的局部性缘故，按照顾力集中的局部性特点，开孔邻近 的峰值应力，可不能产生壳体的整体屈服；当应力集中系

9、数小于时，开孔邻近除疲劳断裂外，不产生一样的 强度破坏；容器有效壁厚，是在运算壁厚值加上壁厚附加量，按商品钢板系 列的圆整值。一样大于强度值的要求，从整体上得到了加大。在壁厚运算公式中，焊缝系数一样小于1,在规定中，明确指出, 开孔不承诺在焊缝阻碍区内，则认为开孔区的强度承载能力高于焊缝区。(2)承诺不另行补强的最大开孔直径a.不另行补强的最大孔径为dm O.14 Dmb.当两孔中心 视为单个个开孔2、开孔补稱S rS1'g之间的间距大与两孔直径（1）.内加补强式平齐接管:补右I诽的两倍时，则每一孔均可将补强金属加在接管或壳体的内侧。吕补强（2）外加（3）凸出接 加大形式订S补强 7

10、:1补强齐接管：将补强金'属加在接管和壳体的外侧I对称加f：采纳突出接管，接管的内伸端与外伸对称加f:采納突出接管，接管的内伸端与外伸端同时So-只1 1/凸属If加强壳体if出集中在接StO/同时加强壳体与接管的连接处补强以上四类补强形式，从补强的成效，即补强所附加金属起到的实际作 用，实践证明了密集补强成效最好强形对称凸出接管列第二，外加大最差。3、补强结构（1）贴板补强结构贴板补强结构是在开孔周围贴焊一个补强圈，补强圈的材料和厚度一样与壳体相同（a）需要保证补卜强圈与壳体全面贴合;.'I通孔，以充气检验其焊透（b）需要保证焊缝的全焊透结构卜强圈上开有JHC在补F）常用场合

11、：中低压容器a（2）接管补强结构：即在开孔处焊接一段加厚的接管，加厚接管处于 最大应力区，故能有效的降低应力集中系数。（a）优点：结构简单，焊缝小，容易对焊缝质量进行检验（b）缺点：焊缝处在最大应力区内；（c）当用于重要设备时，应保证焊缝的全焊透性。焊缝磨平，进行无损探伤。of(3) 整锻件补强结构： 将接管于壳体连同加大部分做成一整体锻件。(a) 优点:补强金丿禺集中于开孔'应力 焊缝及热阻碍区离开最大应力点位置，f(b) 缺点锻件供应困难严造烦 (c用场合：只用于重i最大部位，应力集中系 抗疲劳性能优越。1琐，成本较高。要的设备，I如高压容器，核容器等I.()、。4、开孔补强的设计

12、准则补强结构(1)等面积补强准则 该方法认为在有 勺余外截Jfll I外的 界各国延用积| A许已久的一种 开孔趕弱的截面处本身承担内压所需截面积 牛多于开孔所减少的有效截面积 A效的补强范畴内，壳体J 体会设计方法一| |，-指沿壳体纵向截面上的开孔投影I面积式中：d为开孔直径或接管内径加上壁后附加量 C后的直径。T为壳体按内压或外压运算所需的运算厚度。Fr为材料强度削弱系数，即设计温度下接管材料 与壳体材料许用应力之比，fr<1.0有效补强范畴：等面积补强法认为在右图中的 WXYZ的矩形范畴内补强是有效的。补强区内补强金属面积A(a)容器壳体设计厚度之外的余外金属截面积：A1筒体或封

13、头，承担内压或外压所需的厚度和壁厚附加量之外剩余的金属面积。A1 =( B-d) (S-C)-So, C壁厚附加量式中Tn, tn分不为壳体及接管的名义厚度T 为容器壳体的运算厚度C 为接管的壁厚附加量fr 为材料的强度削弱系数(b) 接管所需运算厚度之外的余外金属截面积：A2接管承担内压 或外压所需厚度和壁厚附加量两者之外余外的金属面积。A2 = 2h1(St-Sto-C)+2h2(St-C1-C2)式中：t -为接管按内压或外压运算所需的运算厚度；C2 -为接管的腐蚀附加量。(c) 在有效补强区内焊缝金属的截面积。(d) 在有效补强区内另加的补强元件的截面积。若A1+A2+A3 >

14、A，开孔不需要补强A1+A2+A3 <A，开孔需要补强贝卩 A4 > A-(A1+A2+A3)A4 补强金属截面积。( 2)极限分析补强设计准贝 由于开孔只造成壳体的局部强度削弱，如果在某一压力载荷下容 器开孔处的某一区域其整个截面进入塑性状态，以至发生塑性流淌，现在 的载荷便为极限载荷。利用塑性力学方法对带有整体补强的开孔补强结构 求解出塑性失效的极限载荷。以极限载荷为依据来进行补强结构设计，即 以大量的运算能够定出补强结构的尺寸要求，使其具有相同的应力集中系 数。( 3)开孔补强的其他咨询题以上是壳体上单个开孔的等面积补强方法，工程上有时还会碰到并联 开孔的情形，如果各相邻孔之间