第十二章压力容器的开孔补强

开孔部分的应力集中将引起壳体局部的强度削 弱，若开孔很小并有接管，且接管又能使强度的削 弱得以补偿，则不需另行补强。若开孔较大，就要 采取适当的补强措施。 一般容器只要通过补强将应力集中系数降低到 一定的范围即可。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。经过补强后的接管区 可以使应力集中系数降低，但不能消除应力集中。
当内径 Di 1500 mm的容器 开孔最大直径 d i Di
2
当内径
Di 1500
mm的容器
di Di 3
开孔最大直径
且 d i 1000 mm
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二、开孔补强设计的要求
(二)最大开孔的限制 2.球壳或其他凸形封头上的最大开孔直径
di Di 2
3.锥形封头上开孔的最大直径
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(三)应力集中系数的计算
4.圆筒开孔接管及其他情况的应力集中系数
圆筒上的开孔接管应力集中系数可采 用上述球壳开孔接管的曲线近似的用于圆 筒上，也有一些经验曲线可使用。 当球壳或圆筒上的接管上作用有轴向 力、剪力或弯矩，可先求出各自的最大应 力，在进行代数叠 加而得到。
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二、开孔补强设计
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一、开孔应力集中及应力集中系数
(三)应力集中系数的计算 2.球壳开孔接管处应力 集中系数曲线适用条 件为: rm 0.4 0.01 Rm
图3-7 球壳带平齐式接管的应力集中系数
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(三)应力集中系数的计算
2.球壳开孔接管处应力集中系数曲线 与应力集中系数相关的两个无因次参数为: （1）开孔系数ρ，反映了球壳开孔的影响，值越大， 应力集中系数越高。
rm Rm Rm T r RmT
式中rm和Rm分别为接管与球壳的平均半径， T为球壳厚度。 （2）无因次量t/T，反映了接管的影响。
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(三)应力集中系数的计算
2.球壳开孔接管处应力集中系数曲线
由图可知，当ρ越大，即开孔直径越大时，应力集 中系数越高。相反，减小孔径，增大壳壁厚度均可降低 应力集中系数。另外，内伸式接管的应力集中系数较低 ，尤其当内伸接管管壁厚较厚时能有效的降低应力集中 和补强。 上述应力集中系数有一定的适用条件。当 rm Rm 过 小或过大时，应力集中系数曲线均会有较大的误差。两 r 个适用条件为： 0.01 0.4
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第二节 开孔及补强设计
一、开孔应力集中及应力集中系数
二、开孔补强设计的要求
三、等面积补强计算
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一、开孔应力集中及应力集中系数Fra Baidu bibliotek
容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下 列影响: 1. 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。 2. 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。 3. 壳体与接管连接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。
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(三)应力集中系数的计算
1.应力指数法 仅适用于单个开孔接管。诸方向的应力中各有一最大值σ，该
值用应力指数k表示为
对于球壳和成型封头
K
pDm 2t n
pDm 4t n
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对于圆柱壳
K
式中Dm为可的平均直径，p为内压，tn为公称厚度K是指所考虑 的各应力分量与容器在无开孔接管时的薄膜应力之比。
Rm 3 7 Rm 30 150 T
m
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(三)应力集中系数的计算
3.椭圆形封头开孔的应力集中系数 椭圆形封头开孔的应力集中系数可以近似的采 用上述球壳开孔接管的曲线，只要将椭圆中心处的 曲率半径折算为球的半径即可
Ri KDi
式中K为修正系数 Di为椭圆封头的内直径 Ri为折算为球壳的当量半径
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一、开孔应力集中及应力集中系数
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σ，开孔后按弹性方法计 算出的最大应力为σmax，则弹性应力集中系数为
max Kt

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压力容器设计中对于开孔问题研究的两大方向是： 研究开孔应力集中程度，估算Kt值； 在强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。
图3-9 补强圈补强
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二、开孔补强设计
(三)补强元件的类型 2.接管补强 优点：结构简单，制造与检验 都很方便。 缺点：必须保证全焊透。 常用场合：低合金钢容器或 某些高压容器
图3-10 接管补强
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二、开孔补强设计
(三)补强元件的类型 3.整锻件补强 优点：抗疲劳性最好，疲劳 寿命仅降低10～15%。 缺点：锻件供应困难，制造 烦琐，成本较高。 常用场合：只用于重要的设备， 图3-11 整锻件补强 如高压容器，核容器等。
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(一)开孔的应力集中
2.薄壁球壳开小圆孔的应力集中
σ
σ
max= 2
σ
σθ r
θ
σγ
σ = p R/ 2T
σ
a
σ 图12-1b薄壁球壳开小圆孔时应力集中
孔边处r=a， max 2 , 应力集中系数 K t 2
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(一)开孔的应力集中
3.薄壁圆柱开小圆孔的应力集中
σ2
σ max= 2 σ
孔边经向处的应力集中系数
3 2 .5 Kt
轴向截面的孔边 0和处的应力集中系数
Kt
3 0. 5
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一、开孔应力集中及应力集中系数
(二)开孔并带有接管时的应力集中 这种情况下的应力为局部应力，并很快衰减。最大 应力是球壳开孔边外侧的环向应力，应力集中系数在2 以上。
第十二章
压力容器的开孔与补强
在化工设备上，由于各种工艺上和结构上的要求求，需要 开孔或安装接管。例如入孔、手孔，装、卸料口和各种介质的 出入口等。 开孔以后，一方面由于器壁材料被削弱引起应力增加和容器 强度的减弱，另一方面由于结构的连续性破坏，在开孔和接管 处将产生较大的附加弯曲应力。结果在开孔和接管处的局部地 区，应力可能达到很大的数值。这样高的局部应力，有时再加 上接管上还受到其他外部载荷（例如安装的附加弯曲应力。孔
σθ
r
θ
σγ
σ1
σ 1= pR/ T
a
σ = p R/ 2T
图12-1c 薄壁圆柱开小圆孔时应力集中
3 r 0, cos 2 1, r 0 孔边处r=a， 2
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(一)开孔的应力集中
3.薄壁圆柱开小圆孔的应力集中
3 a2 4a 2 3a 4 2 r (1 2 ) (1 2 4 ) cos 2 2 r 2 r r 2 41 a 2 1 3a 4 (1 2 ) (1 4 ) cos 2 3 3 3 r 4 r 2 4 2a 3a 1 (1 2 4 ) sin 2 4 r r
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二、开孔补强设计
(一)允许不另行补强的最大开孔直径 由于各种强度富余量的存在，开孔并非都要补强。 a.不另行补强的最大孔径为
d m 0.14 DmT
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b.当两孔中心之间的间距大与两孔直径之和的两倍 时，则每一孔均可视为单个开孔。
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二、开孔补强设计
(二)最大开孔的限制 1.圆筒上开孔的限制
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一、总体结构不连续及局部应力问题处理基本原则
3. 应力集中
应力集中常常发生在容器上有过渡圆角的地方， 分布范围很小，常规设计中不予计算，只是在疲劳设 计时才予考虑，至于容器接管根部，既存在过渡圆角 的应力集中，也存在开孔削弱等问题，比较复杂。 局部应力的求解方法比较复杂，也没有统一的方 法。只能按具体对象分别求解，有时甚至无法求解， 只能按实验测定或数值计算方法求出。
a2 4a 2 3a 4 r (1 2 ) (1 2 4 ) cos 2 2 r 2 r r 2 4 a 3a (1 2 ) (1 4 ) cos 2 3 2 2 r 2 r 2 4 2a 3a (1 2 4 ) sin 2 2 r r 3 3 应力集中系数K t
各个部件组合成容器整体时，会碰到一系列问题： 1 如封头与筒体的连接，由于总体结构几何不连续的存在 将会产生不连续应力。 2 容器接管开孔及与容器圆筒体的连接破坏了筒体内薄膜 应力分布的连续性，产生不连续应力和应力集中。 3 容器将受到各种各样的局部（机械）载荷作用，这些载 荷不同于压力载荷，将在容器壳体上产生叠加在内压薄 膜应力之上的局部应力。局部应力的求解方法比较复杂 ，至今也没有统一的方法。
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二、容器设计中的结构设计问题
2、如何进行焊接结构设计的问题 容器的各个部件进行组装时都需要经过焊 接，对焊接进行质量控制是整个容器质量保证 体系中最重要的一环，作为容器设计环节必须 对容器各个部分焊接接头的结构进行合理的设 计，这就是焊接结构设计问题。 化工受压容器对焊接质量的要求是所有焊 接设备中要求最高的一种。焊接接头的结构涉 及到接头的形式及接头的坡口形式、几何尺寸 等等。
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第一节 总体设计问题概述
结果在开孔和接管处的局部地区，应力可能达到很大的数值 。这样高的局部应力，有时再加上接管上还受到其他外部载 荷（例如安装的附加弯短、热应力等）以及开孔结构在制造 过程中难兔产生的残余应力等，于是开孔附近往往就成为容 器的破坏源。因此必须对开孔处进行强度校核，如不能满足 强度要求，则必须进行补强。
Di di 3
此处 D 为开孔中心处锥体的内直径
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二、开孔补强设计的要求
(二)最大开孔的限制 4.在凸形封头的过渡部分开孔时，开孔的
边缘或补强元件的边沿与封头边沿间在
垂直于对称轴方 近。 向上的距离不小于 0.1D ，防止封头上开孔位置离过渡区太
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二、开孔补强设计
(三)补强元件的类型 1.补强圈补强 优点：结构简单，制造方便 ，使用经验丰富。 缺点：补强区域分散，抗疲 劳性能差。 常用场合：中低压容器
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一、总体结构分析及局部应力问题
化工容器可以分为许多基本部件，卧式容器分解部件 的情况如图3-1所示。除支座以外的各种部件都是承受压 力载荷的部件，可称为基本受压部件，而不受压力载荷的 部件（如支座）则称为非受压部件。
(a)典型卧式容器的总件结构
(b)结构的基本部件分解
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一、总体结构分析及局部应力问题
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总体结构不连续及局部应力问题处理基本原则
1.局部应力 常常是叠加在由压力引起的薄膜应力之上 的应力，多数是局部弯曲应力（也有沿壁厚均 匀分布的薄膜应力），局部应力有时会达到很 高的数值，而且一般不具备轴对称性，具备应 力过高可能会导致结果出现具备的过度变形而 使结构发生弹塑性失效。 由于具备应力的作用范围有限，一般应作 具备强度校核来确定是否需要局部加强及如何 加强。
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(一)开孔的应力集中
1.平板开小孔的应力集中
σ
σθ
σθ
r
θ σθ σ
max=3σ
σγ
σ
a
r 0
图12-1 平板开小孔时应力集中
平板开孔的最大应力在孔边 孔边沿r=a处： 0,

2
处
2
max 3
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一、开孔应力集中及应力集中系数
(一)开孔的应力集中 1.平板开小孔的应力集中
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二、容器设计中的结构设计问题
本章要讨论的容器设计问题主要涉及两大类结构问题： 1、如何从强度上合理进行结构设计的问题。 2、如何进行焊接结构设计的问题。
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二、容器设计中的结构设计问题
1、如何从强度上合理进行结构设计的问题 从强度上考虑主要是设计时如何使结构的不 连续应力、局部应力及应力集中尽可能的减小， 或者如何进行合理的局部补强，还涉及到结构的 工艺性问题。 实际上在作部件设计时已经涉及到结构设计 问题，例如封头设计和法兰设计本身都有许多结 构设计问题。本章主要从部件组成容器整体时所 需考虑的一些结构问题进行分析。
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总体结构不连续及局部应力问题处理基本原则
2.总体结构几何不连续而产生的不连续应力 不连续应力有局部性和自限性，只要在结构上有妥 善考虑，一般对强度不会有严重威胁。因而相关壳体的 强度设计只考虑薄膜应力而不考虑不连续应力。必要时 ，也应考虑，如凸形封头设计中的形状系数，其中就包 含了对不连续应力影响的考虑。一般来说，结构不连续 应力虽然总是存在的，由于对容器的安全不会有很大影 响，在结构的部件强度计算和结构设计给与足够的考虑 即可。所以常规的容器设计方法中就可避免进行不连续 应力的繁复计算。从而使常规设计方便而又保证安全。