开孔补强结构设计校核
压力容器的开孔与补强
压力容器的开孔与补强压力容器是一种用于储存和运输高压气体、液体或气体液体混合物的装置。
由于容器内部承受着巨大的压力，因此对于压力容器的结构设计和制造质量的要求非常高，尤其是它的壁厚和容积大小等参数必须经过精密计算和实验验证。
然而，即使设计和制造工艺都非常优秀，压力容器在使用过程中，也一定会出现开孔或由于压力过高而造成形变或者破裂的情况。
为了避免这种情况的发生，我们可以采用开孔和补强两种方法进行预防和解决。
开孔是一种常见的预防压力容器事故的方法。
通过在容器的垂直和水平方向上开孔，可以使容器内部受到更好的冷却和通风，从而减少容器内部压力的累积。
另一方面，开孔的位置也可根据容器内部压力变化而进行调整，使事故的风险降到最低。
此外，设定开孔的位置和数量还可以为维护和保养提供更大的便利。
例如在容器的底部开孔，可以更轻松地清除容器内部积存的物质。
尽管开孔是一种有效的预防措施，但在一些情况下，由于开孔会改变容器的整体结构，从而降低容器的承载能力。
这时，可以采用补强的方法来保证容器的安全。
补强的方法主要是在容器受力较大的地方加装加强筋或者钢板等材料来提高容器的强度和承载能力。
这种方法的优点是可以增加整个容器的稳定性和韧性，从而避免容器内部压力过高而造成的泄漏和破裂等意外事件的发生。
需要注意的是，在进行压力容器的开孔和补强的时候，我们必须严格遵守国家标准，以确保容器的质量和安全。
另外，在进行相关的维修和改装时必须由具备相关资质、资历的专业人员进行操作，这样可以有效地避免其他安全隐患的发生。
最后，压力容器在工业生产和人们的日常生活中发挥着重要的作用，但与之相关的安全问题也时刻需要引起人们的重视。
因此，在日常生活和工作中，我们应该尽可能地避免对压力容器的摩擦和碰撞，同时，也应该注意对其的定期检查和维修，以避免意外事件的发生。
压力容器的开孔与补强
第13章 压力容器的开孔与补强本章重点内容及对学生的要求：（1） 回转壳体上开小孔造成的应力集中；（2） 开孔补强的原则、补强结构和补强计算；（3） 不另行补强的要求；（4） GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。
第一节 容器开孔附近的应力集中1、 相关概念（1）容器开孔应力集中（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影响：◆ 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： σσmax =t K （1） 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K t 值；✧ 在强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。
2、平板开小孔的应力集中Fig. 1 Variation in stress in a plate containing a circular hole and subjected to uniform tension设有一个尺寸很大的巨型薄平板，开有一个圆孔，其小圆孔的应力集中问题可以利用弹性力学的方法进行求解。
承受单向拉伸应力开小圆孔的应力集中如图1所示，只要板宽在孔径的5倍以上，孔附近的应力分量为：⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θστθσσσθσσσθθ2sin 32122cos 312122cos 34121242224222422222r a r a r a r a r a r a r a r r （2） 平板开孔的最大应力在孔边 2πθ±=处， 孔边沿a r =处：σσστπθθθ3,0max 2===±=r应力集中系数：0.3max ==σσt K 3、薄壁球壳开小圆孔的应力集中如图2所示，球壳受双向均匀拉伸应力作用时，孔边附近任意点的受力为：Fig. 2 Variation in stress in a sphere shell containing a circular hole孔边处r=a ，σσ2max = , 应力集中系数0.2max ==σσt K 4、薄壁圆柱开小圆孔的应力集中如图3所示，薄壁柱壳两向薄膜应力δσ21pD =，δσ42pD =，如果开有小圆孔，则孔边附近任意点的受力为：⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θστθσσσθσσσσθθ2sin 32142cos 3141432cos 34122312422214212242222122r a r a r a r a r a r a r a r r （3）Fig. 3 Variation in stress in a cylindrical shell containing a circular hole孔边处r 1r 3r=a,=0,=(-con2),=02θθσσθστ。
浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计
浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计压力容器常规设计规范中的开孔补强设计是为了提高容器的强度和稳定性，减小应力集中，避免开裂和变形等问题。
在设计过程中，需要考虑容器的功能和使用条件，合理确定开孔位置、大小和数量，并采取适当的补强措施。
开孔补强设计中的关键问题是如何确定开孔的位置和大小。
开孔的位置应尽量避免处于应力集中区域，如容器的角部、焊缝附近等。
开孔的大小则需要根据承受的载荷和应力水平来确定。
一般来说，开孔的面积不应超过容器壁的总面积的30%。
当开孔过大时，容器壁的强度和刚度会大大降低，容易导致变形和破裂。
在确定开孔位置和大小之后，可以考虑采取以下几种方式进行开孔补强设计：1.增加开孔的边缘钝化半径：开孔边缘的过渡半径越大，应力集中程度越小。
在常规设计中，一般要求开孔边缘的钝化半径为开孔直径的1.5倍。
2.添加补强环：在开孔边缘处添加环形补强，可以有效减小应力集中，提高强度和稳定性。
补强环的尺寸和数量需要根据开孔的大小和容器的使用条件来确定。
3.增加开孔区域的厚度：开孔附近可以增加壁厚，提高容器的强度和刚度，减小应力集中。
墙厚增加的大小需要根据应力分布和容器的使用条件来确定。
4.使用合适的补强片：在开孔的附近添加合适的补强片，可以提高容器的强度和稳定性。
补强片的材料和尺寸需要根据容器的使用条件和承载能力来确定。
5.考虑应力分配：在设计过程中需要考虑容器的应力分配情况，避免应力集中。
可以采用软件模拟和实验测试等方法来确定应力分布和开孔补强设计的有效性。
在进行开孔补强设计时，还需要考虑容器的材料特性、制造工艺和维修等问题。
同时，需要按照国家和行业的相关规范和标准进行设计，确保容器的安全可靠性。
总之，开孔补强设计是压力容器常规设计规范中的重要环节，对容器的强度、稳定性和可靠性起着至关重要的作用。
合理选择开孔位置和大小，采取合适的补强措施，能够有效减小应力集中，提高容器的安全性能。
压力容器开口补强及其在耐压试验工况下的应力校核
压力容器开口补强及其在耐压试验工况下的应力校核摘要：阐述等面积法开口补强原理，并对及其在耐压试验下的校核提出分析讨论。
关键词：开口补强耐压试验压力应力校核由于工艺操作及壳体结构的要求，压力容器经常需要在壳体或封头上开孔。
开孔不仅会削弱结构本身的强度，同时也会因结构的不连续产生较大的应力集中，开口接管的应力校核是保障压力容器安全运行的重要环节。
在压力容器的设计中，一般可以把应力分为三类：一次应力、二次应力、峰值应力。
[1]压力容器的开口接管处理论上同时存在这三种应力。
等面积法补强是以两边受拉伸的无限大平板开小孔的应力集中作为理论基础的，补强准则是开孔截面的许用拉伸应力大于未开孔时该处的许用拉伸应力，仅涉及一次应力问题。
该法对二次应力通过开孔大小、长短径比值和开孔率来加以限制，认为在满足标准要求的范围内，二次应力不会对容器造成破坏。
对于峰值应力，等面积法没有考虑，所以标准要求等面积法不能用于疲劳容器。
即在标准要求的适用范围内，等面积法的设计过程仅是对一次应力的补强过程，本文在此基础上进行以下讨论。
GB/T150-2011[2]并未对耐压试验工况下壳体的开口补强校核做强制性要求，标准规定，只有当耐压试验压力大于标准要求的最小值时，才应在耐压试验前，校核各受压元件在试验条件下的应力水平，并提出了壳体元件的应力校核条件。
但是标准要求的试验压力最小值超过了正常操作时的设计压力值，在此情况下不要求耐压试验应力校核是否合理？我们通过以下讨论说明。
内压工况下，GB/T150-2011[2]要求的耐压试验最小值为：(1)液压试验y的取值为1.25。
液体耐压试验的压力为，可以看做设计温度和试验温度下压力的折算，而液压实验的超压试验性，主要体现在系数1.25上，现从以下几方面加以阐述和论证。
一、弹性失效准则下的筒壁应力分析根据拉美公式，仅受内压的圆筒筒壁的应力分布见表1：表1 内压工况厚壁圆筒筒壁应力值内壁处外壁处注：表中为所受内压，，将表1三个主应力分别代入常规设计的弹性失效设计准则：最大拉应力准则、最大切应力准则、形状改变比能准则，得到相应准则下应力强度和径比计算公式，同时将中径公式的相应参数汇总，见表2所示。
第四章 开孔补强设计
第 开孔补强设计根据GB 150规定，当在设计压力P c ≤2.5MPa 的在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径不大于89mm 时，接管厚度满足要求，不另行补强，故该储罐中只有DN=500mm 的 人孔需要补强。
1. 补强设计方法判别按HG/T 21518-2005,选用回转盖带颈对焊法兰人孔。
开孔直径22C d d i +==500+2×2=504 mm 。
∵ 2/i D d <=3000/2=1500 mm故可以采用等面积法进行开孔补强计算。
接管材料选用10号钢，其许用应力[σ]t=117MPa根据GB150-1998中式8-1，开孔所需补强面积()r et f d A -+=12δδδ 其中：壳体开孔处的计算厚度δ=17.758mm 接管的有效厚度21C C nt et --=δδ=20-0-2=18mm 强度削弱系数[][]r tn r f δδ/==117/170=0.689所以开孔所需补强面积为()r et f d A -+=12δδδ=504×17.758+2×17.758×18×0.311 =4238.452mm 2. 有效补强范围2.1有效宽度B 的确定按GB150中式8-7，得：d B 21==2×504=1008 mmnt n d B δδ++=22=504+2×18+2×20=580mm B=()max 2,1B B=1008 mm2.2有效高度的确定 (1）外侧有效高度h的确定根据GB150中式8-8，得：11h =ntd δ=18504⨯=95.25mm12h =接管实际外伸高度H=H 1=280mm 1h =(()min 12,11h h =95.25mm(2）内侧有效高度2h的确定根据GB150-1998中式8-9，得：21h =ntd δ=18504⨯=95.25mm22h =0()min 22,212h h h ==03. 有效补强面积根据GB150中式8-10 到 式8-13，分别计算如下：321A A A A e ++= 3.1 筒体多余面积AA=(B-d)(δe-δ)-2δet(δe-δ)(1-fr)=(1008-504)(20-17.758)-2×20(20-17.758)(1-0.689)=1102.0782mm 3.2接管的多余面积 接管厚度：ct ic t P D P 5.0φ]σ[2δ==9184.15.09.011725009184.1⨯-⨯⨯⨯=4.94mm()21222h f h A r t e +-=δδ()2C e -δ=2×92.25×(20-17.758)×0.689+0=285.004 2mm4.接管区焊缝截面积(焊角取6.0mm ）262/123⨯⨯=A =36 2mm5.补强面积321A A A A e ++==1102.078+285.004+36=1451.0822mm因为，A e ＜A 所以开孔需另行补强。
过程设备设计第4章习题
C.二次应力是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的正应力或切应力。 D.二次应力是局部结构不连续性和局部热应力的影响而叠加道一次应力之上的应力增量 4.8 交变载荷 以下载荷属于交变载荷的有： （ ） A.压力波动 B.开车停车 C.加热或冷却时温度变化引起的热应力变化 D.振动或容器接管引起的附加载荷 4.9 设计准则 下列有关压力容器设计准则的叙述，正确的有： （ ） A.弹性失效设计准则以容器整个危险面屈服作为实效状态。 B.弹塑性失效设计准则认为只要载荷变化范围达到安定载荷，容器就失效。 C.弹性失效设计准则较塑性失效设计准则更保守。 D.爆破失效设计准则认为压力达到全屈服压力时容器失效。 4.10 加强圈 为提高外压圆筒稳定性，需设置加强圈，下列有关加强圈的设计，正确的有： （ ） A.加强圈的最小间距应小于失稳临界长度。 B.在设计过程中，有可能通过增加加强圈的数量使圆筒厚度减薄。 C.加强圈与圆筒的连接可采用连续的或间断地焊接。 D.加强圈不可设置在筒体内部 4.11 封头 压力容器封头较多，下列叙述正确的有： （ ） A.凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头、球冠形封头和锥壳。 B.由筒体与封头连接处的不连续效应产生的应力增强影响以应力增强系数的形式引入厚度 计算式。 C.半球形封头受力均匀，因其形状高度对称，整体冲压简单。 D.椭圆形封头主要用于中、低压容器。 4.12 高压密封 下列属于提高高压密封性能的措施有： （ ） A.改善密封接触表面 B.改进垫片结构 C.采用焊接密封元件 D.增加预紧螺栓数量 4.13 安全阀 安全阀的优点包括： （） A.完全密封 B.多次使用 C.泄压反应快 D.只排出高于规定压力的部分压力 4.14 支座 在立式容器支座中，中小型直立容器常采用（ ）高大的塔设备则广泛采用（ ） ，大型卧式 储存采用（ ） A.耳式支座 B.裙式支座
浅谈压力容器中的开孔补强结构设计
整体 补强则 不受上述 条件的 限制 ， 具有结构 简单 、 焊缝质量 容易检 验 、 补强
效果 好、 适用范 围广 、 制 造加 工方便 等优 点 ， 因此具 有广 泛的使 用前 景 。 若条 件
许可 ， 推荐 以厚 壁管 代替补 强圈进行 补强 。 整体补 强包括 增加壳 体厚度 、 或 用全
生。
所谓开孔补强结构， 是指在压力容器上开孔之后， 为了提高开孔周围材质
抗 压强度 的 降低而 进行 补救 的方法 。 压 力容器 为 同材质材 料制 造而成 ， 因不 同 的要 求需要在 容器 外壁开 出不同类型 的小 孔 ， 这样 就会导致 压力容 器整体 抗压 强度 的下 降 ， 可能 会导致 压力 容器 的使用 出现 问题 或是致 使其使 用寿 命缩短 。
一
、
开孔 补强 结构 的含 义
于焊 接过程 中容器 壁对 焊缝 金属 具有很 大 的约束作 用 ， 妨碍 其冷 却收 缩 ， 从而 容易在焊 根处 出现焊接 裂纹 。 特别 是高强 度钢淬硬 性大 ， 对 焊接 裂纹 比较敏感 ， 更容 易开 裂 。 因此， 必须 采用 预 热及焊 后 热处理 等 措施 ， 防止 此焊 接裂 纹 的发
构设计 应 注意 的 问题 进 行探讨 很 分析 ， 其 中包 括两点 ： （ 一） 接 管大 端厚度 一般 不超 过壳体 厚度 的１ ． ５ 倍， 最 大不 超过 壳体厚 度 的 ２ 倍。 这是 因为接 管越 厚 其刚度 就 越大 ， 对 容易 产生 冷 裂纹 的材 料来 说是 不 利
构， 其抗 疲劳 性能 好 ， 如接 管补强 、 整 锻件 补强和 加厚 壳体补 强 。 补强 圈补 强属 非整 体受力结 构 ， 其抗疲 劳 陛能 较差 制造时 如必须在 主要焊 缝上开 孔 ， 则 应对
压力容器开孔及补强设计
平板开椭圆孔的应力集中
1、几点结论
•在球壳上开圆孔的应力集中系数（ ）小于开
椭圆孔的应力集中系数（
）
•在圆柱壳上开圆孔时的应力集中系数（
）
•若要开设椭圆孔，则应使椭圆孔的长轴与壳体
轴线垂直此时（
）
压力容器开孔及补强设计
内压壳体开孔的应力集中
•由于开孔后多焊有不同厚度的接管，应力集中系 数比较复杂，采用理论计算和实验测定相结合的 办法。
•当 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。 •内伸式接管的应力集中系数较低，尤其是内伸接 管壁厚较厚时能有效地降低应力集中。
压力容器开孔及补强设计
内压壳体开孔的应力集中
过小或过大时上述曲 线均会有较大的误差
球壳带平齐式接管的应力集中系数
壳壁过厚，即 过 小时，应力沿壁厚分 布的不均匀性增大， 应力集中系数将明显 比图示值减小
(mm)
检查孔最少数 量
检查孔最小尺寸(mm)
人孔
手孔
备注
300-500 500-1000
>1000
手孔2个
人孔1个或手孔 2个(当容器无法
开人孔时)
人孔1个或手孔 2个(当容器无法
开人孔时)
Ф400或长 圆孔
400×250， 380×280
Ф400或长 圆孔
400×250， 380×280
Ф75或长 圆孔
•（2）两相邻开孔中心的距离(对曲面间距以弧长计算)应 不小于两孔直径之和的两倍；
•（3）接管公称外径小于或等于89mm；
•（4）接管最小壁厚满足下表3-9的要求。
接管公称 外径
25 32 38 45 48 57 65 76
浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计
浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计压力容器的开孔补强设计是压力容器设计的重要环节。
目前,国内压力容器按常规规范设计开孔补强时的常用标准主要有GB150—1998《钢制压力容器》（以下简称GB150)、HG2058-1998《钢制化工容器强度计算规定》(以下简称HG20582)及ASME 锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第一册《压力容器建造规则》(以下简称ASME）. GB150是强制性国家标准,是设计的最低要求,超出GB150开孔范围时，可以采用HG20582计算并遵循HG20583—1998《钢制化工容器结构设计规定》(以下简称HG20583）规定结构进行设计。
压力容器开孔补强设计的方法有很多，如等面积法、压力面积法、安定性分析法、极限分析法、PVRC法、增量塑性理论方法及实验屈服法等等.鉴于软硬件条件的限制和从设计成本考虑,国内一般采用等面积法和压力面积法进行开孔补强设计，上面提及的设计规范就是采用这两种方法设计开孔补强的.1。
各规范开孔补强方法的理论基础GB150和ASME规范均采用等面积法进行开孔补强设计,而HG20582中的补强计算采用的是压力面积补强法。
压力面积法与等面积法的实质是一致的,都是从确保容器受载截面的一次平均应力(平均强度）在一倍许用应力水平的计算方法，都未计及开孔边缘的局部应力和峰值应力对开孔的作用，只是两种方法对壳体有效补强范围的确定上有所不同；在补强金属面积的配置上，压力面积法比等面积法更具有密集补强的特点,对缓和接管根部应力集中的作用较大。
2各规范开孔补强方法的适用范围比较GB150和ASME规范均适用于壳体上开圆形、椭圆形(或类似形状）或长圆形孔.GB150规定孔的短径与长径之比应不大于0。
5;而ASME规定当短径与长径之比小于0. 5时,应增强短径方向的补强。
各规范对开孔直径的相对大小均有限制：GB150适用于d /D t ≤0.5；HG20582适用于d /Dt ≤0.8；而ASME适用于d /D t ≤0。
大开孔补强结构应力特点和补强设计方法
大开孔补强结构应力特点和补强设计方法【关键词】大开孔；补强结构；应力特点；补强设计过去，在很长一段时间里，为了避免由于开孔而造成压力容器的破坏，一般采取保守的做法,即尽量避免开孔，当必须开孔时，尽量开小孔。
然而近年来，随着过程装备行业的快速发展，容器的开孔逐步向大开孔的方向发展，给压力容器的结构强度设计带来了一系列的技术问题，如开孔附近的应力集中系数、开孔补强的方法、开孔补强的结构设计等。
开孔补强设计是压力容器强度设计中的一个重要环节。
对于受内压作用的压力容器大开孔补强结构，本文通过理论分析、有限元应力分析计算，对比三种补强结构的应力分析结果，得到一些可用于指导工程设计的结论。
1.1三种大开孔补强结构的应力分布特点总体来说，无论是平齐接管补强、内伸接管补强还是加强圈补强，在筒体开孔接管连接处的外壁和内壁，均出现了明显的应力集中现象，具体可分为以下几个高应力区:(1)接管补强相贯区高应力区①平齐式接管最大等效应力区在壁厚比/小于1.25时，出现在接管肩部外角点A处附近区域，大于1.25时出现在接管腹部外角点C附近，且应力最大值大幅下降，说明增加接管壁厚，补强效果明显。
最大主应力和高环向应力区在接管肩部内角点B附近，并且环向应力沿经向迅速衰减，在范围内基本消失，达到薄膜应力值大小；当壁厚比超过2.5时，环向应力最大点位于接管腹部内角点附近，且最大应力值明显下降。
②内伸式接管应力分布与平齐式接管有所不同，最大等效应力区在接管腹部筒体的内表面C2、外表面C1和C3处，应力集中现象明显；最大主应力也位于腹部内角点C2处，其值与平齐式接管肩部内角点的最大主应力大小相当，而内伸接管肩部处的最大主应力比平齐式接管结构下降了一半，相当于内伸接管腹部内角点最大主应力的二分之一，因此内伸式接管肩部应力下降明显，可见内伸接管可以对补强结构起加强作用，但腹部角点处是设计时需要重点控制的参数。
随着接管内伸长度的增加，接管腹部筒体外表面弯曲应力增加明显，所以当补强满足要求时，不必过度增加内伸长度[1]。
压力容器零部件设计---3开孔补强
开孔接管部位的应力集中
★器壁强度削弱：开孔造成局部应力集中和强
度削弱；
★不连续应力：壳体与接管形成结构曲率不
连续，产生较大的附加弯曲应力；
★局部应力：壳体与接管拐角处不等截面
过渡，引起很高的局部附加应力。
★焊接缺陷和残余应力
峰值应力
容器大开孔与小开孔
容器孔边应力集中的理论分析是以无限大平板上开 小圆孔为基础的，壳体曲率变化不计，因此，孔边 应力均为拉（压）应力。
边集中应力、薄膜应力外，还有
边缘应力和焊接应力，比小孔K
值高达3～6倍。应力集中具有
局部性。
• 开孔接管补强的目的：
•
使孔边的应力峰值降低
•
到允许值。
• 相关标准：HG/T21630
HGJ527-90 补强管
适用范围 两标准都规定了适用范围为当 量压力PD≤6.4MPa，共分A、B、C、D、E五 种。其中D、E型是削边过渡的，但其削边角 度是45度，而不是常规的1:3削边处理。
•
开孔计算直径d的取法（见下图）:由于圆筒计算
厚度是根据周向薄膜应力计算的，因此开孔截面应以
承受周向薄膜应力的截面考虑，即是与圆筒轴线平行 的纵向截面。开孔计算直径d为孔沿纵截面方向的直径。
• 适用范围：
• 等面积补强:适用于开孔直径小于筒体内径 的一半。 即d/Di≤1/2 ;
• 压力面积法:（HG20582.7“大开孔的补强 计算”)适用于开孔直径小于筒体内径的 0.8倍。即d/Di≤0.8;（但注意五个限制条件）
大开孔时，除有拉（压）应力外，还有很大的弯曲 应力，其应力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薄膜应力状态。因此小开 孔理论不适用。
开孔补强设计
弹性失效设计准则——等面积补强法 塑性失效准则—极限分析法
4.3.5 开孔和开孔补强设计
（1）等面积补强
定义：壳体因开孔被 削弱的承载面积，须 有补强材料在离孔边 一定距离范围内予以
等面积补偿。
问题：没有考虑开孔处应力集中的 影响，没有计入容器直径变化的影 响，补强后对不同接管会得到不同 的应力集中系数，即安全裕量不同， 因此有时显得富裕，有时显得不足。
图4-37 （b）
4.3.5 开孔和开孔补强设计
（3）整锻件补强
整体锻件
图4-37 （c）
4.3.5 开孔和开孔补强设计
结构： 将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与 壳体和接管焊接，见（c）图。
优点： 补强金属集中于开孔应力最大部位，能最有效地降低 应力集中系数；可采用对接焊缝，并使焊缝及其热影 响区离开最大应力点，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降 低10～15%。
4.3.5 开孔和开孔补强设计
（2）极限分析补强
定义：
带有某种补强结构的接管与壳体发生塑性失效时的极 限压力和无接管时的壳体极限压力基本相同。
4.3.5 开孔和开孔补强设计
三、允许不另行补强的最大开孔直径
强度裕量
接管和壳体实际厚度大于强度需要的厚度 接管根部有填角焊缝 焊接接头系数小于1但开孔位置不在焊缝上等等
4.3.5 开孔和开孔补强设计
4.1 概述 4.2 设计准则 4.3 常规设计 4.4 分析设计 4.5 疲劳分析 4.6 压力容器设计技术进展
4.3.1 概述 4.3.2 圆筒设计 4.3.3 封头设计 4.3.4 密封装置设计 4.3.5 开孔和开孔补强设计 4.3.6 支座和检查孔 4.3.7 安全泄放装置 4.3.8 焊接结构设计 4.3.9 压力试验
开孔补强-专业文档!
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开孔补强的适应范围和方法 ..................................... 错误!未定义书签。
满足开孔条件时，可采用的三种补强方法........... 错误!未定义书签。
开孔补强的目的............................................................ 错误!未定义书签。
补强结构(补强元件类型) ............................................ 错误!未定义书签。
加强管补强.................................................................. 错误!未定义书签。
整体锻件补强............................................................. 错误!未定义书签。
加强圈的补强............................................................. 错误!未定义书签。
壳体开孔的有关规定................................................... 错误!未定义书签。
允许不补强时开的最大孔直径.............................. 错误!未定义书签。
壳体上允许开的最大孔直径d max .......................... 错误!未定义书签。
等面积补强计算方法................................................... 错误!未定义书签。
各国压力容器规范主要采用的准则(补强准则的种类) .错误!未定义书签。
等面积补强的原则.................................................... 错误!未定义书签。
浅谈常规压力容器的开孔补强设计
浅谈常规压力容器的开孔补强设计摘要：在压力容器上开孔，将会使压力容器的承压能力降低，在其设计工艺条件下会产生危险，因此压力容器开孔后需进行补强，本文介绍了压力容易开孔补强的两种方法和应注意的问题，并针对实例进行了计算演示。
关键词：压力容器补强开孔随着化工行业的发展，压力容器在化工厂中越来越普遍，其安全性也越来越受到重视。
开孔补强设计是压力容器设计中必不可少的一部分，标准和规范中虽然对设计和计算都作了较为详细的规定，但安全、经济、合理的设计仍是摆在我们面前的一个课题。
一旦计算有误就会造成容器的破坏，甚至引起工作人员的伤害，或者造成经济上的浪费。
按照GB150-1998《钢制压力容器》规定，在压力容器的设计过程中，应采用适当的开孔补强设计。
下面就对压力容器的开孔补强进行分析。
一、开孔补强方法的选择1.压力面积法压力面积是西德AD规范中采用的开孔补强方法，其开孔率可达0.8，较等面积法为大。
当开孔率超出等面积法适用范围时，常采用该法进行补强：压力面积法的意义如下。
式中，AP-为补强有效范围内的压力作用面积；Aσ-为补强有效范围内的壳体、接管、补强金属的截面积；P-设计压力；[σ]-材料许用应力公式（1）是以在壳体有效补强区域中的压力载荷与壳体的承载能力相平衡为基础的，即压力在壳体受压面积上形成的载荷与有效补强范围中的壳体、接管、补强材料的面积所具有的承载能力相平衡。
由式（1）的变形得出式（1a）：式中左端项即压力在壳体受压面积上形成的载荷。
式中右端项为材料所具有的承载能力材料的承载能力，应大于压力引起的载荷，所以使用不等号相联接。
右端项中是由于采用“中径”公式的缘故。
2.等面积补强法等面积法是以拉伸的开孔大平板为计算模型的。
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，故该方法不能相适应。
补强计算时，在有效补强范围内的所有多余面积（即有效厚度提供的面积扣除壳体或接管本身强度所需的面积）均可作为补强面积。
圆筒开孔补强等效应力校核计算表GB150-2011 6.6.2
1.8 215 接管 166.1 1800 18 1.8
MPa mm mm mm
ts
Di δn Cs
tt
do δnt Ct
166.1 960 30 1.8 接管 28.2 931.8
t
min( s , t )
t
166.1 1.74 112.33 0.51
D /e
查图，Km 查图，K Km（按ρ 内插法计算） K（按ρ 内插法计算） 四、结果及校核 等效薄膜应力SⅡ=Kmσo 等效总应力SⅣ=Kσo 许用值[SⅡ]=nⅡ[σ] SⅡ≤[SⅡ] SⅣ≤[SⅣ]
t t
d / D * e
3.21 4.3
MPa MPa MPa MPa
322.845 427.4733333 365.42 431.86 校核通过！ 校核通过！
322.8276667 428.2816667
许用值[SⅣ]=2.：表中并列路径一、路径二，可任择其一。 nⅡ----取2.2（对于特殊要求的压力容器，可取1.5~2.2.）
圆筒开孔补强等效应力校核计算 -GB150-2011(6.6.2) 一、已知条件 设计压力 设计温度 MPa ℃ p T 圆筒 材料许用应力 内径（外径） 名义厚度 厚度附加量 二、参数计算 圆筒 有效厚度 中面直径 环向薄膜应力 材料许用应力 参数δet/δe 参数D/δe 参数ρ=d/D 三、查图 方法一 ρ 向上、向下圆整 0.50 5.30 3.15 4.15 3.19 4.23 0.60 6.36 3.51 4.8 0.50 方法二 0.60 5.43 3.07 3.77 3.19 4.24 mm mm MPa MPa δe=δn-Cs D=Di+δe+2Cs σo=pD/2δe 16.2 1819.8 δet=δnt-Ct d=do-δet 101.1
在压力容器中的开孔补强结构设计
在压力容器中的开孔补强结构设计【摘要】对于压力容器设计来说，开孔补强结构的设计是非常重要的一部分，这就要求了开孔补强结构的设计需要本着安全、合理、科学、经济的原则来进行，而且对其进行优质的设计可以大大降低压力容器的设计成本和生产成本。
开孔补强技术对压力容器的安全性和实用性起到很大的作用，能够保障压力容器在内部压力下的安全使用，并能相应延长其使用寿命。
对于需要应用到压力容器的行业来说，可以节约生产运输成本，降低在生产运输中出现事故的几率。
本文通过对压力容器的开孔补强结构设计的研究与分析，对开孔补强的几种方法进行论述，总结出对于不同压力容器而是用不同开孔补强结构的优选设计，从而达到在压力容器的生产使用过程中追求追高性价比的目的，在保证压力容器质量的基础上，减少成本投入和资料浪费。
【关键词】压力容器；补强；开孔补强一、开孔补强结构的含义所谓开孔补强结构，是指在压力容器上开孔之后，为了提高开孔周围材质抗压强度的降低而进行补救的方法。
压力容器为同材质材料制造而成，因不同的要求需要在容器外壁开出不同类型的小孔，这样就会导致压力容器整体抗压强度的下降，可能会导致压力容器的使用出现问题或是致使其使用寿命缩短。
因此，在容器外壁所开小孔周围加以维持容器整体强度的保护措施，也就是开孔补强技术是非常重要的。
在开孔补强技术的具体实施中，可以根据开孔位置、数量、以及对容器的其它需求等因素，大致分为整体补强和局部不强。
（一）整体补强整体补强是一种大面积的补强方式，它的使用只要在压力容器开孔较多或是局部不强不方便，以及容器整体强度不够需要整个压力容器进行补强作业时采用的方法。
其优点在于补强位置全面、实施方便，在压力容器开孔较多位置集中是，能够提升开孔补强的工作效率。
而他的不足在于，不能有针对性地对需要着重加强强度的位置进行补强，而且对单一开孔进行整体不强会造成材料的浪费。
（二）局部补强局部补强相对于整体补强来说，就是以有针对性的补强方法对压力容器上所开的小孔进行强度补充。
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mm
接管有效内伸长度h2
0
mm
开孔削弱所需的补强面积A
168
mm2
壳体多余金属面积A1
507
mm2
接管多余金属面积A2
125
mm2
补强区内的焊缝面积A3
14
mm2
A1+A2+A3=646
mm2，大于A，不需另加补强。
补强圈面积A4
mm2
A-(A1+A2+A3)
mm2
结论:合格
开孔补强计算
2
mm
补强圈材料名称
凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离
mm
补强圈外径
mm
补强圈厚度
mm
接管厚度负偏差C1t
0.6
mm
补强圈厚度负偏差C1r
mm
接管材料许用应力[σ]t
149.4
MPa
补强圈许用应力[σ]t
MPa
开孔补强计算
非圆形开孔长直径
101.2
mm
开孔长径与短径之比
1
壳体计算厚度δ
1.6526
mm
mm2
结论:合格
接管实际外伸长度
200
mm
接管连接型式
插入式接管
接管实际内伸长度
0
mm
接管材料
12Cr2Mo1
接管焊接接头系数
1
名称及类型
管材
接管腐蚀裕量
2
mm
补强圈材料名称
凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离
mm
补强圈外径
mm
补强圈厚度
mm
接管厚度负偏差C1t
0.6
mm
补强圈厚度负偏差C1r
mm
接管材料许用应力[σ]t
接管计算厚度δt
0.5752
mm
补强圈强度削弱系数frr
0
接管材料强度削弱系数fr
0.8989
开孔补强计算直径d
101.2
mm
补强区有效宽度B
202.4
mm
接管有效外伸长度h1
24.641
mm
接管有效内伸长度h2
0
mm
开孔削弱所需的补强面积A
168
mm2
壳体多余金属面积A1
507
mm2
接管多余金属面积A2
9
mm
壳体厚度负偏差C1
0.3
mm
壳体腐蚀裕量C2
2
mm
壳体材料许用应力[σ]t
166.2
MPa
接管轴线与筒体表面法线的夹角(°)
0
凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角(°)
接管实际外伸长度
150
mm
接管连接型式
插入式接管
接管实际内伸长度
0
mm
接管材料
12Cr2Mo1
接管焊接接头系数
1
名称及类型
管材
接管腐蚀裕量
125
mm2
补强区内的焊缝面积A3
14
mm2
A1+A2+A3=646
mm2，大于A，不需另加补强。
补强圈面积A4
mm2
A-(A1+A2+A3)
mm2
结论:合格
开孔补强计算
计算单位
中航一集团航空动力控制系统研究所
接管:N4,φ108×6
计算方法: GB150.3-2011等面积补强法，单孔
设计条件
简图
149.4
MPa
补强圈许用应力[σ]t
MPa
开孔补强计算
非圆形开孔长直径
101.2
mm
开孔长径与短径之比
1
壳体计算厚度δ
1.6526
mm
接管计算厚度δt
0.5752
mm
补强圈强度削弱系数frr
0
接管材料强度削弱系数fr
989
开孔补强计算直径d
101.2
mm
补强区有效宽度B
202.4
mm
接管有效外伸长度h1
9
mm
壳体厚度负偏差C1
0.3
mm
壳体腐蚀裕量C2
2
mm
壳体材料许用应力[σ]t
157
MPa
接管轴线与筒体表面法线的夹角(°)
0
凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角(°)
接管实际外伸长度
200
mm
接管连接型式
插入式接管
接管实际内伸长度
0
mm
接管材料
12Cr2Mo1
接管焊接接头系数
1
名称及类型
管材
接管腐蚀裕量
0.6967
mm
补强圈强度削弱系数frr
0
接管材料强度削弱系数fr
0.8917
开孔补强计算直径d
101.2
mm
补强区有效宽度B
202.4
mm
接管有效外伸长度h1
24.641
mm
接管有效内伸长度h2
0
mm
开孔削弱所需的补强面积A
202
mm2
壳体多余金属面积A1
474
mm2
接管多余金属面积A2
119
mm2
0
凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角(°)
接管实际外伸长度
150
mm
接管连接型式
插入式接管
接管实际内伸长度
0
mm
接管材料
12Cr2Mo1
接管焊接接头系数
1
名称及类型
管材
接管腐蚀裕量
2
mm
补强圈材料名称
凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离
mm
补强圈外径
mm
补强圈厚度
mm
接管厚度负偏差C1t
0.6
mm
补强圈厚度负偏差C1r
1.7798
MPa
设计温度
310
℃
壳体型式
圆形筒体
壳体材料
名称及类型
12Cr2Mo1R
板材
壳体开孔处焊接接头系数φ
1
壳体内直径Di
307
mm
壳体开孔处名义厚度δn
9
mm
壳体厚度负偏差C1
0.3
mm
壳体腐蚀裕量C2
2
mm
壳体材料许用应力[σ]t
166.2
MPa
接管轴线与筒体表面法线的夹角(°)
0
凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角(°)
mm
接管材料许用应力[σ]t
140
MPa
补强圈许用应力[σ]t
MPa
开孔补强计算
非圆形开孔长直径
101.2
mm
开孔长径与短径之比
1
壳体计算厚度δ
1.9852
mm
接管计算厚度δt
0.6967
mm
补强圈强度削弱系数frr
0
接管材料强度削弱系数fr
0.8917
开孔补强计算直径d
101.2
mm
补强区有效宽度B
202.4
mm
接管有效外伸长度h1
24.641
mm
接管有效内伸长度h2
0
mm
开孔削弱所需的补强面积A
202
mm2
壳体多余金属面积A1
474
mm2
接管多余金属面积A2
119
mm2
补强区内的焊缝面积A3
14
mm2
A1+A2+A3=606
mm2，大于A，不需另加补强。
补强圈面积A4
mm2
A-(A1+A2+A3)
计算单位
中航一集团航空动力控制系统研究所
接管:N3,φ108×6
计算方法: GB150.3-2011等面积补强法，单孔
设计条件
简图
计算压力pc
1.7798
MPa
设计温度
310
℃
壳体型式
圆形筒体
壳体材料
名称及类型
12Cr2Mo1R
板材
壳体开孔处焊接接头系数φ
1
壳体内直径Di
307
mm
壳体开孔处名义厚度δn
开孔补强计算
计算单位
中航一集团航空动力控制系统研究所
接管:N1,φ108×6
计算方法: GB150.3-2011等面积补强法，单孔
设计条件
简图
计算压力pc
2.0174
MPa
设计温度
425
℃
壳体型式
圆形筒体
壳体材料
名称及类型
12Cr2Mo1R
板材
壳体开孔处焊接接头系数φ
1
壳体内直径Di
307
mm
壳体开孔处名义厚度δn
2
mm
补强圈材料名称
凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离
mm
补强圈外径
mm
补强圈厚度
mm
接管厚度负偏差C1t
0.6
mm
补强圈厚度负偏差C1r
mm
接管材料许用应力[σ]t
140
MPa
补强圈许用应力[σ]t
MPa
开孔补强计算
非圆形开孔长直径
101.2
mm
开孔长径与短径之比
1
壳体计算厚度δ
1.9852
mm
接管计算厚度δt
补强区内的焊缝面积A3
14
mm2
A1+A2+A3=606
mm2，大于A，不需另加补强。
补强圈面积A4
mm2
A-(A1+A2+A3)