压力容器常用开孔补强方法对比分析

1、压力容器常用开孔补强方法对比分析压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显 得尤为重要。对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积 法，二是分析法。本文对这两种方法作以比拟和分析。在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不行避开的，如要开进料口、 出料口、人孔等。容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被减弱，引 起局部应力的增加和容器承载力量的减弱；另一方面，器壁开孔和接收也 破坏了原有构造的连续性，在工艺操作条件下，接收处将产生较大的弯曲 应力，开孔边缘会消失很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。因 此，设计上必需对开孔实行有效的补强措施，使被减弱的局部得以补偿。

2、开孔补强根本原理等面积法该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中 存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。 当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随着 壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高 的弯曲应力。 等面积法的开孔补强构造所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的 距离越大，越接近薄膜应力。它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。分析法这种补强方法是以壳体极限分析为根底的，相对等面积法合理得多， 但须受开孔壳体和补强接收的尺寸限制。这种方法优点是：克制等面积法 的缺点，在

3、转角处采纳圆滑过渡，削减构造外形的突变，减小应力集中程 度。将补强面积集中在应力最高点，充分利用补强面积，使补强更经济、 合理。比照分析等面积法等面积法顾名思义：壳体截面因开孔被减弱的承受强度的面积，须有 补强材料予以等面积补偿，其实质是壳体截面因开孔丢失的强度，即被减 弱的“强度面积”A乘以壳体材料在设计温度下的许用应力口 t,即A t, 应由补强材料予以补偿，当补强材料与壳体材料一样时，则补强面积就等 于减弱的面积,故称等面积法。由于该方法仅从计算截面的一次平均应力概念动身,只考虑壳体计算 截面的承载力量与内压的平衡,因此是属于满意静力强度的简洁方法。它 对开孔构造安定性的保障是通过双向受

4、拉伸的无限大平板开孔问题所导 出的孔边应力集中系数3的模型近似加以考虑的,不过,此法由于长时间 的使用,一般压力容器使用条件也能满意安定性要求,因此在工程设计中 有着广泛的应用。分析法该方法是基于较简单的壳体极限分析方法，即依据塑性失效的观点， 假定部件由弹性抱负塑性材料构成，认为构造在相当多的局部发生屈服前 不产生变形，且不考虑剩余应力对构造的影响。当加载时，最初材料呈弹 性变形，随着载荷的连续增加，将在某处产生屈服。当载荷进一步增加时， 屈服层便扩展以至增加到足以引起恒定载荷作用下产生流淌，这时的载荷 便称作极限载荷，其分析方法也称作极限分析法。由于该方法仅从开孔构造的极限载荷动身，也是一

5、种考虑静力强度的 计算方法。采纳此方法计算时，其开孔四周应力集中区的最大应力将允许 有较高的许用值，结果将使开孔四周的最大应力作用沿着整个壁厚方向发 生屈服，但是，由于它是局部的，因而不会导致容器失效。从以上数据可以看出，分析法无论从受力、还是补强厚度上都比等面 积补强法优越得多，但分析法无论从选材还是制造上要求都很严格，必需 将接收根部与壳体连接处做成一整体构造，适合于高压容器的开孔补强， 而等面积补强法更适合中低压容器的开孔补强。适用范围等面积法适用于压力作用下壳体和平封头上的圆形、椭圆形或长圆形开孔。当 在克体上开椭圆形或长圆形孔时，孔的长径与短径之比应不大于2.0。对于圆筒当筒体内径D

6、il500mm时，开孔最大直径dop Di，且dop520mm；当筒体内径Di1500mm时，开孔最大直径dop Di ,且dopl000mm。凸形封头或球壳的开孔最大直径dop Di。锥形封头开孔的最大直径dop Di ，Di为开孔中心处的锥体内 直径。注：开孔最大直径dop对椭圆形或长圆孔开孔指长轴尺寸。4.2.分析法本方法是依据弹性薄壳理论得到的应力分析法，用于内压作用下具有 径向接收圆筒的开孔补强设计，其适用范围如下：d 0.9 D ,且 max0.5,d/D et/e1.5。设计举例在牙哈工程中设计的12.6-12006000高压计量分别器，它的设计条件 是：设计压力为12.6MPa

7、，设计温度为50C，筒体直径为DN1200mm，开 孔从DN25DN400不等。下面以一个DN450开口接收为例说明密集补强法 的优越性：首先根据内压容器计算公式，假如开DN450的孔，采纳等面积 法，由于开口补强，筒体厚度应为64mm，假如根据分析法计算，同样接 收厚度为48mm不变的状况下，筒体厚度为58mm，减薄了 6mm。通过以上分析比拟，容器除了受内压外，在接收上还有各种外载及温 度的作用，因此，开孔以后不但减弱了器壁强度，并在开孔四周产生了局 部峰值应力，其数值很大，通常到达正常应力的5-6倍，因此容器破坏除了因材质、制造等缘由引起以外，开孔四周应力集中也是容器破坏的一个 相当重要的缘由。压力容器往往是石油、化工生产中的主要设备，制造要