压力容器的开孔与接管

1、 l第十二章压力容器开孔与接管一.重点壳体开孔的压力特点开孔接管的应力集中系数的定义开孔补强的目的开孔补强的结构及方法等面积补强的原则等面积补强计算面积有哪些?二.壳体上开孔的原因三.壳体上开孔后产生的问题开孔后,造成壳壁不连续,在孔边缘产生应力集中接管后,壳体与管的结构不连续,产生的附加弯应力壳体接管的拐角处，由于r引起的局部应力.结果:使孔附近的应力比薄膜应力大5-6倍,产生疲劳破坏和脆裂12.1容器壳体开孔时的应力分析.平板开小圆孔的应力分析分析条件:板长，宽孔径2a载荷q作用于板上单向拉伸时的应力分析孔区附近的应力解(12-1)式利用弹性力学理论解知&0r(2)孔边缘处的应力特点:时孔

2、边缘处的应力,TQ0rOQq(l-2cos2O)O时孔边缘处的周向应力分布特点当O0、兀时，平行于q方向的Oo=_q兀当O土一时，垂直于q方向的秫3q2O时随的增大而迅速减小由式可知O双向拉伸时的应力分析二.薄球壳开小孔的应力分析1.分析对象：球半径R较大6D较小在开孔区域的壳近似板qqq12孔区附近的应力解利用q1q2q代入(12-4)可知(12-5),即；a21r2丿(q1+竺0”时，q0min25”当0土一时，q20max21)20丿五.平板开椭圆孔的应力分析1.单方向受拉伸时的应力分析(1)长轴平行于受拉方向时：孔口处r=a时的应力解(12-8)由于其应力表达式较复杂，仅给出最重要的孔

3、口应力表达式，即|p0r0(12-8)特点孔口处的0分布规律:0当=0、兀时，在长轴两端=-qmin1当=时，在短轴的两端=q(1+)2max1a长轴a垂直于受拉方向时孔口处的应力解(12-9)孔口处的分布规律当=0、兀时，在长轴两端：=b=q(12a)：max2b办当=时，在短轴两端：=n=q2min22.双向受拉伸时的应力分析q=2q21(1)孔口处的应力解：由(12-8)与(12-9)叠加即知(12-10)(2)孔口边缘处的分布规律(特点)TOC o 1-5 h z2a2a HYPERLINK l bookmark56由(12-10)可知：在长轴的两端a=q(1+)q=(0.5+)qma

4、x2b1b22b HYPERLINK l bookmark60在短轴的两端=Q=q(1+)qmin1a2说明:开椭圆孔时，最大应力在孔边缘=0、兀处(在长轴两端)12.2开孔接管处应力集中系数的计算一.开孔接管时的应力集中壳体上开孔与平板开小孔有以下差别：开孔不是小孔.如：人手孔.故开小孔的假设不成立其理论不能运用.容器壳体是曲面，与平板不同.因为在开孔处由于曲面的影响，壳体存在弯曲应力容器开孔接管后，接管对开孔边缘有约束作用.而平板开小孔理论，没有考虑接管约束问题，所以对开孔接管问题，必须寻求新的分析方法.接管区的应力分析利用”力法”可求出该区域的应力分布情况和应力值“力法”：根据平衡，几何

5、和物理方程根据理论计算和实际结果，查接管区的应力分布图12-7二开孔接管处的应力集中系数计算max1.应力集中系数K的概念：(1)作用：求接管处的最大应力峰值 l如:球壳：bmaxbKgmax0pDi4叶士筒壳：bmaxKnpDi4设备实际最大应力壳体基本薄膜应力 l2.K的确定方法(1)应力指数法K的大小：查表12-1:适用条件P235(1)-(4)注：径向接管：接管轴线与壳体半径同一方向非径向接管：轴线与壳体半径不同方向(2)应力集中系数曲线：曲线形成：由理论与实践综合绘出适用条件：不能用指数法时采用曲线种类：图12-12球壳平齐图12-13球壳内入图12-14圆壳平齐0.01rR0.4曲

6、线适用条件:Q30R150n当R150时，壳体很薄，则K取的比曲线值大些.n因为开孔造成弯曲应力效应大.应力集中系数曲线的推广应用可用于补强壳体注意:利用曲线查K时將nt改用nt，nn为接管厚度，为加强后的厚度ntnt将开孔系数P中的改用查下的K值nnn椭圆封头上开孔的K.不同点:当量半径R=K1Ri1i其中:R是封头的当量半径;K1是修正系数，与a/b有关，查表12-2,R是封头内半径.1i l12.3开孔补强设计.开孔补强的概念开孔补强的目的:降低开孔接管处的应力峰值.因为容器的强度条件,所以应力峰值降低,设计时降低,S降低.maxnpD2鼻，:pc开孔补强设计的定义:为降低应力集中系数,

7、而作的计算与结构设计二.补强结构(补强元件类型)1加强管补强结构图12-15.(d),(f)即在开孔处焊接一段加厚的接管特点:环焊缝少.易探伤,结构简单适用范围:低合金钢,高压设备2.整体锻件补强:(1)结构:图12-15(g),(h),(i)(2)特点:优:对焊,易探伤抗疲劳性能好缺:成本高,加工难适用范围:高压重要设备(3)加强圈的补强:结构:图12-15.(a),(b),(c)特点:优:简单,易加工,使用经验丰富缺:抗疲劳性能差，热应力大,K大s补n适用范围:P241三:壳体开孔的有关规定1.允许不补强时开的最大孔直径P242.(1)-(4)PW2.5MPac开孔中心距A=两孔直径和的2

8、倍.A2(,+,)12接管外径d0=89mm l接管最小壁厚满足表内要求.min2.壳体上允许开的最大孔直径d,P242.(l)-max242(l)圆筒D150(时，d-且520mmimax2DD1500时，di且1000mmimax3(2)(3)凸形封头与球壳的d才max2锥壳或锥形封头的d?(D.为开孔中心处的锥壳内径)max3i注:椭圆,碟形过度段部分开孔时,孔中心线垂直于封头表面.四.等面积补强计算方法1.各国压力容器规范主要采用的准则(补强准则的种类)因为补强的目的是降低开孔接管处的应力值,对这个应力值限制在什么范围内,就出现了各种补强准则.(1)等面积补强准则(2)极限分析法(3)

9、安定性理论(4)其它方法:实验屈服法实验应力法等常用的开孔补强准则等面积补强准则等面积补强的原则在补强区(在邻近开孔处附近处)所加补强材料的截面积A0应与开孔而失去的截面积A相等.即A0=A其含义:在于补强壳壁的平均强度,用开孔等面积的外加金属来补强被削弱的壳壁强度.4.等面积补强计算方法.P243(1)判断是否要补强计算满足不另行补强的最大开孔直径的条件者,不补强(2)计算开孔失去的面积A.3)确定补强区的有效范围有效宽度B二2dB二d+25+25取大值nt ldd有效高度hhnthnt取小值有效高度1外伸长度2内伸长度取小值计算有效补强面积A0AA,A,A,A01234A壳体承受内压或外压所需设计厚度之外的的多余金属面积1A(B-d)(-)-2(-c)(-)(1-f)enterA接管承受内压或外压所需的设计厚度之外的多余金属面积2dA2h(-c)f,2h(-c-c)f1ntdr2nt2r其中()计算设计厚度edc厚度附加量cc+c12f强度削弱系数rA补强区焊缝面积3AJ底高)232A补强区内另加