容器开孔及开孔补强

1、容器开孔及开孔补强为了使压力容器能正常操作，在筒体和封头上常设置如进、出料 口，压力表、温度计等接口及视镜、液面计等附件。为了安全以及维 修方便，“容规”第40条也规定，压力容器必须开设检查孔（包括人 孔、手孔、螺纹管塞检查孔）。因此，在容器上开孔是不可避免的， 主要是要考虑开孔的位置，大小、连接结构和开孔补强问题。容器开孔附近的应力集中压力容器开孔后，不但削弱器壁强度，而且，在开孔附近形成应 力集中。（1）应力集中系数容器的开孔集中程度是用应力集中系数K来表征的，“K”的定义 是开孔处的最大应力值与不开孔时最大薄膜应力之比。开孔接管处的 应力集中系数主要受下列因素影响：容器的形状和应力状态由

2、于孔周边的最大应力是随薄膜应力的 增加而上升的，圆壳的薄膜应力是球壳的两倍，所以圆筒壳的应 力集中系数大于球壳。同理，圆锥壳的集中系数则高于圆筒壳。开孔的形状、大小及接管壁厚 开方孔时应力集中系数最大，椭 圆孔次之，开圆孔最小。接管轴线与壳体法线不一致时，开孔将 变为随圆形而使应力集中系数增大。开孔直径越大，接管壁厚越 小，应力集中系数越大，故减小孔径或增加接管壁厚均可降低应 力集中系数。插入式接管的应力集中系数小于平齐接管。容器开孔接管处应力集中的特点在实际上生产中，容器壳体开孔后均需焊上接管或凸缘，而接管 处的应力集中与壳体开小圆孔时的应力集中并不相同。在操作压力作 用下，壳体与开孔接管在

3、连接处各自的位移不相等，而最终的位移却 必须协调一致。因此，在连接点处将产生相互约束力和弯矩。故开孔 接管处不仅存在孔边集中应力和薄膜应力，还有边缘应力和焊接应力。 另外，压力容器的结构形状、承载状态及工作环境等，对接管处的应 力集中的影响均较开孔复杂。所以，容器接管处的应力集中较小孔严 重得多，应力集中系数可达3-6。但其衰减迅速，具有明显的局部性， 不会使壳体引起任何显著变形，故可允许应力峰值超过材料的平均屈 服应力。开孔补强的目的的在于使孔边的应力峰值降低至允许值。容器大开孔与小开孔的区别不论大开孔还是小开孔，其孔边的应力集中都是存在的。但容器孔 边应力集中的理论分析是借助于无限大平板上

4、开小圆孔为基础的。但 大开孔时，除有拉(压)应力外，还有很大的弯曲应力，且其应力集 中范围超出了开小孔时的局部范围，在较大范围内破坏了壳体的东半 球膜应力状态。因此，小开孔的理论分析就不适用了。当壳体上开孔 直径大于GB150中的规定时，其补强结构和计算需作特殊考虑，须提 出特殊制造要求。容器开孔补强为何要进行开孔补强通常所用的压力容器，由于各种工艺和结构的要求，需要在容器 上开孔和安装接管，由于开孔去掉了部分承压金属，不但会削弱容器 的器壁的强度，而且还会因结构连续性受到破坏在开孔附近造成较高 的局部应力集中。这个局部应力峰值很高，达到基本薄膜应力的3倍， 甚至5-6倍。再加上开孔接管处有时

5、还会受到各种外载荷、温度等影 响，并且由于材质不同，制造上的一些缺陷、检验上的不便等原因的 综合作用，很多失效就会在开孔边缘处发生。主要表现不疲劳破坏和 脆性裂纹，所以必须进行开孔补强设计。对压力容器为何有时可允许不另行补强压力容器为何有时可允许不另行补强压力容器允许可不另行补强是鉴于以下因素：容器在设计制造中，由于用户要求，材料代用等原因，壳体厚度 往往超过实际强度的需要。厚度的增加使最大应力有所降低，实际上 容器已被整体补强了。例如：在选材时受钢板规格的限制，使壁厚有 所增加；或在计算时因焊接系数壁厚增加，而实际开孔不在焊缝上； 还有在设计时采用封头与筒体等厚或大一点，实际上封头已被补强了

6、。在多数情况下，接管的壁厚多与实际需要，多余的金属起到 了补强的作用。开孔补强结构所谓开孔补强设计，就是指采取适当增加壳体或接管壁厚的方法 以降低应力集中系数。其所涉及的有补强形式、开孔处内、外圆角的 大小以及补强金属量等。加强圈是最常见的补强结构，贴焊在壳体与接管连接处，如图a、 b、c。该补强结构简单，制造方便，但加强圈与金属间存在一层静止 的气隙，传热效果差。当两者存在温差时热膨胀差也较大，因而在局 部区域内产生较大的热应力。另外，加强圈较难与壳体形成整体，因 而抗疲劳性能较差。这种补强结构一般用于静压、常温及中、低压容 器。接管补强，即在壳壁与接管之间焊上一段厚壁加强管，如图d、 e、

7、f。它的特点是能使所有用来补强的金属材料都直接处在最大应力 区域内，因而能有效地降低开孔周围的应力集中程度。低合金高强度 钢制的压力容器与一般低碳钢相比有较高的缺口敏感性，采用接管补 强为好。等面积补强计算等面积补强就是使有效补强的金属面积，等于或大于开孔所削弱的金属面积。1.开孔削弱面积A内压圆筒体与球壳A=d6+2 8S (1-f)式中d考虑腐蚀后的开孔直径，d=d +2Ci5et接管名义厚度C壁厚附加量fr强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许 用应力之比，当该比值大于1.0时，取f=1.0。r5壳体开孔处计算厚度对于椭圆形封头，开孔位于以封头极点为中心的80%封头内直 径范围

8、内5二PKR/2IEJC-0.5P，%一折算系数，查表7-2锥壳5计算是以壳体开孔处内直径代替锥壳计算厚度中的Dc外压圆筒体与球壳开孔削弱面积A是外压圆筒体与球壳1/2平板盖开孔补强等面积补强法，实际上补强的是壳体开孔上丧失的薄膜应力 抗拉强度，但对于受压的平板盖，其内部产生的是弯曲应力，因此， 应按补强开孔所丧失的抗弯强度来确定补强面积，使补强前后在补 强范围内的抗弯模量相同。在此导出的补强面积为开孔挖去面积的 0.5倍，故平盖开孔时，另加开面积的一半就可以满足需要了。平盖开孔直径dW1/2D A=0.5 5p1.补强范围补强区的有效范围按图中的矩形WXYZ范围确定。有效的补强高度如下确定：

9、外伸高度 mm,取两者中的较小值1内侧高度h2= Jd6h2=接管实际内插高度A 取两者中的较小值补强区的有较宽度B=2dA mm，取两者中较大值B=d+2 5 +2 5 t 一2.补强金属面积在有效补强区的矩形WXYZ范围内，有效补强的金属面积有A一筒体或封头承受内压或外压所需设计厚度之外的多余金属的 1面积，A =(B_d) (5-5)-2 5(5-5) (1-f )A2接管承受内压或外压所需设计厚度之外的多余金属的面积，mm2；A =2 h (5 -5 )f+2 h (5 -c)f21nt t r2nt 2 rA3补强区内的焊缝截面积，mm2；A4补强区内另加的补强截面积，mm2；若A1

10、 +% +气NA，则开孔不需另加补强；若( +气+A3)VA，则需另加补强，其补强金属载面积为A4NA- (A1 +A2 +A3)补强材料一般应与筒体或封头相同，若补强材料的许用应力小于 筒体或封头材料许用应力，则补强面积应按筒体或封头材料许用应力 与补强材料许用应力之比而增加。若补强材料的许用应力大于筒体或 封头材料的许用应力，则所需补强面积不得减少。采用补强圈结构补强时，应遵循以下规定：钢材的标准抗拉强度W540MPa；补强圈厚度应小于或等于1.55了壳体名义厚度5nW38mm。4、不另行补强的最大开孔直径设计压力小于或等于2.5Mpa；两相邻开孔中心间距(对曲面间距以弧长计算)应不小于 两孔直径之和的两倍；接管公称外径小于或等于89 mm；接管最小壁厚满足150表8-1。4.允许开孔的范围允许开孔的最大直径不得超过：圆筒当其