压力容器设计法兰与补强
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 ra 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 ra 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。
压力容器零部件设计---法兰设计
②凹凸型
优点：便于对中，垫圈 放在凹面不易挤出，密 封面窄比压大。
缺点：加工量大
适用：压力稍高
③榫槽型
优点：密封面窄，不与 介质接触，
缺点：拆卸难，垫圈不 易清理
适用：压力更高，密封 要求严
④梯形槽：
与椭圆型或八角型金 属垫圈配用。
特点：槽的锥面与垫 圈成线（或窄面）接 触密封。
法兰的类型
1）压力容器法兰：连接筒体与封头、筒体与筒体、 法兰与管板。
2）管法兰：管道之间连接。
思考：两类法兰作用相同，外形相同，能互换吗？ 为什么？
思考：两类法兰作用相同，外形相同，能互换吗？ 为什么？
答：不能。 因为： 压力容器法兰的公称直径通常是与其连接的筒体的
适用：温度、压力有 波动，介质渗透性
密封面的选用原则
首先必须保证密封可靠， 然后力求加工容易，装配方便、成本低。
垫圈（垫片）
垫圈是法兰连接的核心，密封效果的好坏主 要取决于垫圈的密封性能。
垫圈材料的要求：
耐介质腐蚀、不与操作介质发生化学反应， 不污染产品和环境， 具有良好的弹性， 有一定的机械强度和适当的柔软性， 在工作温度和压力下不易变质（硬化、老化、软化）。
法兰设计的重要概念
1、预紧密封比压：
预紧时(无内压），迫使 垫片变形与压紧面密合， 形成初始密封条件。此时 在垫片单位面积上的压紧 力。（也称最小压紧应力 MPa）
法兰设计的重要概念
2、工作密封比压：操
作时(有内压），压紧力 减小，垫片具有足够的回 弹能力，回复的变形能够 补偿螺栓和密封面的变形， 此时预紧密封比压下降到 正常工作的最小值 。 （MPa）
详解压力容器中开孔补强的一般规定及限制要求
详解压力容器中开孔补强的一般规定及限制要求引言压力容器上的开孔不仅影响结构强度，还会因为接管有着各种载荷所产生的应力、温度应力，以及容器材质和制造缺陷等因素的综合作用，往往是造成容器破坏的根源，所要解决这些问题，就必须了解开孔补强中的规定以及要求。
1.压力容器补强结构解析与一般规定压力容器的补强结构可分为：补强圈搭焊结构和整体补强结构。
1.1补强圈搭焊结构补强当容器采用补强圈搭焊结构时，其应当符合的基本的条件为，容器壳体名义厚度不得大于38mm补强圈的材料厚度不得大于1.5 倍容器壳体的厚度尺寸；使用低合金钢的标准抗拉强度应当小于540MPa若条件许可，优先举荐使用厚壁管代替补强圈进行补强。
当容器为低温压力容器的时候，补强接管应当尽可能采用后壁管进行补强，焊接焊缝应当使用全焊透结构，且焊缝圆滑过渡；带补强板的接管与容器器壁的连接接头应当符合相当于HG/T20583中的G28 G29 G30 G33的要求。
补强板采用与器壁相同的材料，带补强板的结构不得用于容器器壁厚度大于30mm 的场合，也不适用于设计温度低于-40°的场合。
带补强圈的接管与壳体的连接，以及补强圈与壳体搭接的角焊接头壳采用GB15 0中所示结构进行，且接管端部应与容器表面齐平，端部内角应当打磨成R不小于3mm勺圆角。
?a 强圈虽然结构简单，易于加工，但是补强效果较差，补强圈与壳体之间勺间隙不可避免，同时虽然补强圈上设有排气孔，但是补强圈结构在最终勺热处理后应力缺很复杂。
1.2整体补强结构补强当具有下列条件时，应当采用整体补强或者局部整体补强。
①高强度钢(标准抗拉强度大于540MPa和铬钼钢(如15CrMoR 14Cr1MoR 12Cr2Mo1R 制造的压力容器；②补强圈勺厚度大于1.5 倍容器壁厚度；③设计压力大于或者等于4MPa的第三类容器；④容器的壳体壁厚大于或者等于38mm；⑤疲劳压力容器或者容器盛装介质为毒性的高位介质容器。
压力容器设计开孔补强精品文档4页
开孔补强4.5.5.5等面积补强的分析与计算■等面积补强----壳体承受应力所必需的金属截面，因开孔被削去多少，就必须在开孔周围的补强范围内补回同样截面的金属面积。
有效补强的金属面积大于或等于开孔削弱的金属面积A 、判断是否可以不补强和不作进一步补强计算（1）强度裕量（开孔后仍有的）●容器实际壁厚大于计算壁厚（δδφe ）●接管厚度大于计算厚度（t et δδφ）●接管根部有填角焊缝 ●所开孔不在焊缝处，但壁厚计算的中径公式仍考虑了焊缝系数，计算壁厚有裕量。
（2）GB150-1998对不另行补强的规定同时满足下列条件时，开孔后可不另行补强：②相邻两孔中心的距离()2d d +≥B、等面积补强计算（1）所需最小补强面积接管有效面积：接管转化为壳体的当量面积：ΔA-----弥补[][]tttσσ≤而需增加的面积；或接管有效承载面积的折减量。
■圆柱壳■外压柱壳或球壳■平盖注：上述平盖和外压容器的公式来由参见丁伯民《压力容器设计----原理及应用》对平盖和外压容器，决定壳体厚度或承载能力的是弯曲应力，开孔削弱的是抗弯截面模量（而不是壁厚截面积）。
为保证开空前后的抗弯截面模量相等（w=w 0），要求k=A/A 0=1/(2+S/S 0)，为保守起见，取k=0.5。
s —补强圈厚度，s 0----平盖厚度；A----补强面积，A 0----开孔削弱面积。
（2）补强范围■有效宽度B■接管外侧高度h 1■接管内侧高度h 2{}接管实际内伸高度,min 2nt d h δ=1（3）补强范围内富裕的可作补强的金属面积A e■A 1----壳体有效厚度减去计算厚度之后的多余面积■接管有效厚度减去计算厚度之后的多余面积()()r et r t et f C h f h A 221222-+-=δδδ■A 3----有效补强区内焊缝金属的截面积（4）有效补强区内另外再增加的补强元件的金属截面积A 4若A A e >，则开孔后无需补强。
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。
压力容器零部件设计---封头设计
扇形区承受的压力作用组合梁的
形心C。这样，组合截面抗弯断
面模量W应满足：
W
0.08
pc Dc3
n[ ]tr
a）如果采用矩形截面筋板，其高厚比一般为5~8； b）筋板与平盖之间采用双面焊； c）平盖中心加强圆环截面的抗弯模数不小于筋板的抗弯模 数。
3）拉撑结构的强度校核：
a）无孔板的支承载荷拉杆与相邻所有支撑中心连线的平分线
所围成的多边形承受的压力载荷；
b）多孔板的支承载荷，一根支撑面积内减去孔的面积上的压
力载荷。 c）拉撑最小截面积：
a
1.1W
[ ]tg
GB/T25198-2010压力容器封头 几点变化
摘自 JB/T4746
END
兰的刚度校核要求
- 增加了波齿垫片设计选用参数
封头设计
封头形式
半球形封头
封头凸锥形形封封头头带 半 无带 无折 椭 折折 折边 球 边边 边球 （ 球锥 锥形 椭 形形 形（ 圆 封封 封碟 形 头头 头） 形封 ）头 封头
平板形封头
GB150.3中关于各种封头的设计计算考虑的主要失效模式有 1、 结构在内压作用下的塑性强度破坏和局部失稳； 2、结构在外压载荷作用下的失稳以及封头与筒体连接处可能
–-修改了球冠形封头、锥壳与筒体连接的加强 设计方法
GB150.3对GB150-1998所作的修改和增 加的内容：
2、开孔补强的设计方法 - 增加了针对筒体上法向接管开孔补强设计的
分析方法，开孔率适用范围可达0.9。 - 修改了平盖上开孔接管的补强设计方法 3、法兰设计计算方法 -增加了整体法兰和按整体法兰计算的任意法
α＜30º
30º＜α＜60º
椭圆形封头的最小厚度
浅谈压力容器开孔补强的方法.
浅谈压力容器开孔补强的方法浅谈压力容器开孔补强的方法2011-04-17 09:23 来源：未知浏览次数：关键字：方法,补强,开孔,压力容器,浅谈,浅谈压力容器开孔补强的方法李文英摘要：本文主要对压力容器开孔后进行补强的方法进行探讨，主要针对等面积补强；压力容器大开孔补强方法；平盖开孔补强；高压蒸汽过热器联箱开孔补强这几种方法进行了比较。
关键词：压力容器开孔补强方法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。
这样在压力容器设计中一些较易出现问题的地方，更引起人们的注意了，如压力容器封头上的开孔及补强是一个非常爱出问题的地方，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。
下面就对压力容器的开孔补强进行分析。
1.等面积补强化工容器常用的开孔补强方法是等面积补强法，其基础理论是在有效补强范围内所加补强材料的截面积必须大于或等于因为开孔而失去的截面积。
其实质在于补强壳体的平均强度，即维持容器整体的屈服强度，理论模型是无限大平板开小孔，不至于因开边缘附加弯曲应力引起大的误差，故对小直径开孔安全可靠，其计算方法如下：满足下列条件不需补强：A1+A2+A3≥A不满足这一条件则需要补强，补强金属的面积为：AO= A一(A1+A2+A3 )式中：A---壳体因开孔而削弱的截面积；AO----补强金属的面积；A1---筒体或封头上超过计算厚度S所多余的金属截面积；A2---接管上超过强度计算厚度所多余的金属截面积；A3---补强区内焊缝的截面积。
其适用范围是局部补强的材料基本上应与壳体相同，其强度不应小于壳壁材料强度的75％。
适用于筒体的最大开孔直径dI≤1000毫米，而封头的开孔最大直径是dI≤1／2DJ。
d i—开孔最大直径；DJ—封头内径。
这类计算方法只能在一般情况下应用，在特殊情况下则不适用，例如容器大开孔时补强，平盖的开孔补强以及高压蒸汽过热器的开孔补强，下面将分别讨论。
压力容器开孔补强设计
4.3.5 开孔和开孔补强设计
过程设备设计
2
δ—壳体开孔处的计算厚度，mm； δet—接管有效厚度，δet =δnt-C，mm； 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，当该值大于1.0时，取fr=1.0。
b、外压容器或平盖：
4.3.5 开孔和开孔补强设计
过程设备设计
优点：长期实践经验，简单易行，当 开孔较大时，只要对其开孔尺寸和形 状等予以一定的配套限制，在一般压 力容器使用条件下能够保证安全，因 此不少国家的容器设计规范主要采用 该方法，如ASME Ⅷ-1和GB150等。
4.3.5 开孔和开孔补强设计
01
过程设备设计
02
该法要求带有某 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。
2
中低压容器应用最多的补强结构，一般 使用在 静载、常温、中低压、 材料的标准抗拉强度低于540MPa、 补强圈厚度小于或等于1.5δn、 壳体名义厚度δn不大于38mm的场合。
3
应用
4
HG21506-2005《补 强圈》
JB/T4736-2005《补 强圈》
5
标准
4.3.5 开孔和开孔补强设计
单击添加副标题
4.3 常规设 计
开孔和开孔补
强设计
第四章
压力容器设计
CHAPTER Ⅳ
Design of Pressure Vessels
过程设备设计 主要内容 补强结构 开孔补强设计准则 允许不另行补强的最大开孔直径 等面积补强计算 接管方位 开孔和开孔补强设计
4.3.5 开孔和开孔补强设计
过程设备设 计
外侧高度
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
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贮存和运输高压气体、液体或者混合物的设备。
它们通常需要承受巨大的压力，在日常使用中，压力容器容易出现开孔和损伤的情况。
这种情况下，我们需要对压力容器进行修复和加固。
下面，我们将重点探讨压力容器的开孔与补强的相关知识。
1. 压力容器开孔的原因压力容器开孔的主要原因是意外撞击和磨损。
在使用过程中，如果受到了外力的冲击或者过度的磨损，压力容器的表面很容易出现开孔或者裂缝。
另外，压力容器还可能在制造和储存过程中出现缺陷，导致它们容易出现开孔和损伤。
2. 压力容器补强的方法常见的压力容器补强方法包括金属厚板贴补、涂覆材料和拉毛加固等。
(1) 金属厚板贴补：该方法是在压力容器的开孔处贴补一块同样厚度的金属板，然后使用焊接技术将其固定。
这种方法的优点是容易操作，效果比较显著，但是需要小心操作，否则可能会导致更严重的气体泄漏。
(2) 涂覆材料：这种方法是把一个薄的涂覆材料铺在压力容器的表面，在开孔处多涂几层。
涂覆材料通常是耐高温、抗腐蚀的特殊塑料或者橡胶材料。
该方法的优点是简单易行，不会对整个压力容器造成太大的影响。
(3) 拉毛加固：这种方法是在压力容器的开孔处用拉毛工具让金属拉伸，使其保持平整。
然后在开孔处焊接一块金属板，以加强其整体性能。
拉毛加固的优点是成本较低，对环境污染较小，适合于一些小型压力容器的修补。
3. 压力容器补强的预防措施在压力容器的设计与制造中，预防措施是非常重要的。
以下几点应该注意：(1) 在制造过程中确保压力容器表面光滑、整齐，不要有裂缝或者瑕疵。
(2) 在储存和运输时要轻拿轻放，防止碰撞和磨损。
(3) 在使用过程中，要对压力容器的外部结构进行定期检查，发现缺陷及时修复。
总之，压力容器是现代工业中必不可少的储存和运输设备。
在使用过程中，如果出现了开孔和损伤的情况，我们应该及时进行修复和加固，以确保其安全稳定运行。
同时，在设计、制造和储存过程中，也要注意预防措施，减少压力容器出现开孔和损伤的可能性。
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。
ASME压力容器开孔补强要求
ASME 压力容器开孔补强要求开孔的形状圆形筒体或锥壳、封头上的开孔最好采用圆形、椭圆或长圆形状，但规范并不限制使用其它形状的封头。
当长圆或椭圆的开孔长、短径之比大于2:1，横跨短径的补强面积应增加，以防止由于扭矩产生的变形。
UG -36(b)开孔的尺寸对于壳体内径 ≤ 60”(1250 mm)，开孔尺寸不得大于直径的1/2，最大不超过20”(508 mm)。
对于壳体内径 > 60”(1250 mm)，开孔尺寸不得大于直径的1/3，最大不超过40”(1000 mm)。
如果开孔超过上述限制，除要满足UG -36至UG -43的要求外，还须满足附录1-7的补充要求。
成形封头和球形壳上经过正确补强的开孔无尺寸限制。
当开孔的尺寸大于与封头相连的壳体直径的1/2时，可以使用锥壳过渡段来代替补强。
见UG -36(b)(2)(a -d)。
UG -36(c)(3)壳体和成形封头上开孔免除开孔补强计算容器上的开孔如果不承受压力的快速波动，在满足以下要求的情况下，开孔除自身结构的补强外，不须另外补强。
对于焊接或钎接接头，最终开孔的直径不大于：3-1/2 in. (89 mm) – 壳体或封头的厚度 ≤ 3/8 in. (10 mm)； 2-3/8 in. (60 mm) – 壳体或封头的厚度 > 3/8 in. (10 mm)。
对于螺纹连接或胀接接头，壳体和封头上的开孔直径不超过2-3/8 in. (60 mm). 任何两个未加补强的开孔，其中心距不得小于两孔直径之和。
三个或三个以上开孔群中任意两个未加补强的开孔孔心距不得小于：))(cos 5.11(21d d ++θ - 对于圆形筒体和锥壳； )(5.221d d + - 对于具有双曲率的壳体和封头。
UG -36(d)开孔可以开在焊缝上，见UW -14。
UG -39(a)平封头上开孔免除补强计算单个开孔，其尺寸不超过UG -36(c)(3)(a)和(b)的限制、 并且封头直径或短径的1/4时，可免除补强计算。
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 ≤0.7。
压力容器补强圈标准
压力容器补强圈标准压力容器是一种用于贮存或加工气体、液体或固体的设备，它在工业生产中起着至关重要的作用。
在压力容器的设计和制造过程中，为了确保其安全可靠性能，压力容器补强圈标准被制定并严格执行。
压力容器补强圈是指在容器壁上进行加固的一种方式，它可以有效地增加容器的承载能力，提高其抗压性能，从而降低事故风险。
压力容器补强圈标准主要包括了材料选用、制造工艺、安装要求等方面的规定。
首先，压力容器补强圈的材料选用是至关重要的。
通常情况下，补强圈的材料应选择高强度、耐腐蚀的合金钢或不锈钢。
这样的材料具有良好的机械性能和化学稳定性，能够在恶劣的工作环境下保持稳定的性能，确保补强圈的可靠性和耐久性。
其次，制造工艺是影响补强圈质量的关键因素之一。
在制造过程中，需要严格按照压力容器补强圈标准的要求进行操作，包括材料的切割、成型、焊接等工艺环节。
特别是焊接工艺，需要确保焊缝的质量和均匀性，避免焊接缺陷和裂纹的产生，从而保证补强圈的整体强度和稳定性。
另外，安装要求也是压力容器补强圈标准中需要严格遵守的内容之一。
在补强圈的安装过程中，需要确保其与压力容器壁的密合度和连接质量，避免出现漏气、漏液等安全隐患。
同时，还需要根据实际工作条件和压力容器的使用要求，合理设置补强圈的数量和位置，确保其能够有效地增强容器的承载能力。
总的来说，压力容器补强圈标准的制定和执行对于保障压力容器的安全运行具有重要意义。
只有严格按照标准要求进行材料选用、制造工艺和安装要求，才能够确保补强圈的质量和性能达到设计要求，从而保障压力容器的安全可靠运行。
在实际工程应用中，压力容器的设计、制造和使用环节都需要严格遵守相关的标准和规范，确保压力容器的安全性和可靠性。
压力容器补强圈标准作为其中重要的一部分，对于压力容器的安全运行起着至关重要的作用。
希望相关行业单位和从业人员能够充分重视压力容器补强圈标准的执行，共同维护压力容器的安全生产。
浅谈常规压力容器的开孔补强设计
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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ｆ 卜 ｚ ｆ 是由 于采用 “ 中径”公式的缘故。
中 国 化 工 贸 易
２ 月
Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ Ｔ ｒ ａ ｄ ｅ
工艺孳 疋 备
浅 谈 常规 压 力容 器 的开孑 Ｌ 补 强设 计
徐晓晖
（ 江苏 省特种 设备安 全监督检 验研 究院扬 州分院 。江苏 扬州 ２ ２ ５ ０ ０ ３ ）
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。
多余面积 ；Ａ ３ ～ 在补强 区内焊缝 金属 的截面积 。 以此 判定 开孔 是否 需补 强 ，同时开孔 尺寸 及补 强材 料性 能等 还 要 满足 相应标 准 中所 规定 的要求 。
式 中，Ａ 一为 补强有 效范 围内的压 力作 用面积 ； Ａ 一为补 强有效 范 围内的壳体 、接管 、补 强金属 的截面 积 ； Ｐ 一设 计压力 ；［ 盯 卜 材料 许用应 力
、
开 孔 补 强 方 法 的选 择
１ ． 压 力面积 法
二 、开 孑 Ｌ 补强 的设计计算
在压 力容 器开 孔补 强的 具体 设计 中，除应 考虑 选择 补强 方法 、结
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 。
ASME压力容器开孔补强要求
ASME 压力容器开孔补强要求开孔的形状圆形筒体或锥壳、封头上的开孔最好采用圆形、椭圆或长圆形状，但规范并不限制使用其它形状的封头。
当长圆或椭圆的开孔长、短径之比大于2:1，横跨短径的补强面积应增加，以防止由于扭矩产生的变形。
UG-36(b)开孔的尺寸对于壳体内径≤60”(1250 mm)，开孔尺寸不得大于直径的1/2，最大不超过20”(508 mm)。
对于壳体内径>60”(1250 mm)，开孔尺寸不得大于直径的1/3，最大不超过40”(1000 mm)。
如果开孔超过上述限制，除要满足UG-36至UG-43的要求外，还须满足附录1-7的补充要求。
成形封头和球形壳上经过正确补强的开孔无尺寸限制。
当开孔的尺寸大于与封头相连的壳体直径的1/2时，可以使用锥壳过渡段来代替补强。
见UG-36(b)(2)(a-d)。
UG-36(c)(3)壳体和成形封头上开孔免除开孔补强计算容器上的开孔如果不承受压力的快速波动，在满足以下要求的情况下，开孔除自身结构的补强外，不须另外补强。
对于焊接或钎接接头，最终开孔的直径不大于：3-1/2 in. (89 mm)–壳体或封头的厚度≤3/8 in. (10 mm)； 2-3/8 in. (60 mm) – 壳体或封头的厚度>3/8 in. (10 mm)。
对于螺纹连接或胀接接头，壳体和封头上的开孔直径不超过2-3/8 in. (60 mm). 任何两个未加补强的开孔，其中心距不得小于两孔直径之和。
三个或三个以上开孔群中任意两个未加补强的开孔孔心距不得小于：))(cos 5.11(21d d ++θ-对于圆形筒体和锥壳； )(5.221d d +-对于具有双曲率的壳体和封头。
UG-36(d)开孔可以开在焊缝上，见UW-14。
UG-39(a)平封头上开孔免除补强计算单个开孔，其尺寸不超过UG-36(c)(3)(a)和(b)的限制、 并且封头直径或短径的1/4时，可免除补强计算。
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。
法兰对压力容器大开孔补强计算结果的影响
关 键 词：大开孔补强；法兰；法兰力矩；分析设计
中图分类号：TQ 052
文献标识码： A
文章编号： 1671-0460:10.13840/21-1457/tq.2019.11.032
Influence of Flange on Calculation Results of Large Opening Reinforcement of Pressure Vessel
为满足工艺条件及容器自身的结构要求，开孔 补强是压力容器中最为常见的结构形式。开孔不但 削弱了壳体的强度，还导致了壳体与接管间的结构 不连续，进而在开孔处出现 3~6 倍的应力集中。此 外，受于开孔补强结构的影响，焊接造成的体积型 缺陷难以检测。在上述两个因素的共同影响下，开 孔补强区域成为压力容器最常见的失效部位[1]，开 孔补强计算随即成为压力容器设计工作中的重要环 节。虽然 GB/T 150.3-2011《压力容器》在等面积补 强法基础上增加了分析法，将开孔率计算范围拓展 到 0.9[2]，但对于成型封头大开孔、需考虑热应力和 进行疲劳校核的开孔补强，仍需采用有限元法进行 分析。
ZHANG Peng1, YANG Xi-rong1, LUO Hui-min1, WANG Zheng-wei1, GUO Ren-zi2
（1. CNPC Northeast Refining & Chemical Engineering Co., Ltd.，Shenyang Company, Liaoning Shenyang 110167, China； 2. PetroChina Fushun Petrochemical Company No.3 Refinery, Liaoning Fushun 113001, China）
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2、操作工况 FP=2πDGbmPC 螺栓载荷WP==F4+FDPG2 PC +2πDGbmPC
螺栓直径
预紧工况：
Aa
Wa
[ ]b
操作工况：
AP
WP
[ ]tb
取Am=max＜Aa，AP＞
d0
4 Am
n
螺栓间距的限制
L (3.5 ~ 4)dB
螺 栓 最 大 间 距 ：Lm a x
Wa W1 W1 W1
2、操作载荷分析
（1）内压对平盖的轴向力
（2）径向扩张力的轴向分力
h h
（3）回弹力的轴向分力
h
五、开孔和开孔补强设计
开孔接管部位的应力集中 ★强度削弱 ★不连续应力 ★局部应力 ★焊接缺陷和残余应力
允许不另行补强的最大开孔直径
开孔最大直径的限制
2d B
6 f
(m 0.5)
dB 螺栓公称直径
f 法兰有效厚度
螺栓最小间距（表4 -12）
螺栓材料
螺栓是法兰密封连接中的重要元件，对其基本要 求是强度要高、韧性要好。
① 螺母更换比螺栓容易，且螺母价廉，所以要 求螺栓材料的强度比螺母高。
② 为避免螺栓和螺母咬死或胶合，要求螺栓材 料的硬度比螺母高HB30以上。
螺栓法兰 连接结构
密封机理
泄漏形式
螺栓法兰连接的密封条件
1、预紧工况---初始密封条件 垫片比压力（y）----在预紧工况下，形成初始密封条件时垫 片单位面积上所受的最小压紧力。 要求预紧工况下，垫片单位面积上的压紧力不小于y，否则 介质会发生泄漏。
2、操作工况---工作密封条件 操作密封比压----操作时，为保证密封，垫片单位面积上必须 维持的压紧力，通常取m倍的计算压力（mPC）。
③ 对于t≤-20℃的螺栓，要求选用低合金钢，并 进行夏比V形缺口低温冲击试验。
法兰类型
按使用场合管 容道 器法 法兰 兰 松式法兰
按结构形式 整体法兰 任意式法兰
容器法兰标准
JB4700~4707-2000《压力容器法兰》
法兰标准钢制管法兰标准
HG20592~20635-1997
压紧面形式
垫片形状
垫片
平面形、O形、波形、齿形、八角形、 椭圆形等
垫片类型
① 非金属垫片 常用材料：石棉橡胶板、橡胶板、聚四氟乙烯、 合成纤维、石墨等。 ② 金属垫片 常用材料：铜、铝、低碳钢、不锈钢、合金等。 ③ 组合式垫片 包括：金属包垫片；缠绕式垫片；带骨架的非金属 垫片等。
垫片选择原则
Di ≤1000mm
平垫密封
卡扎里密封
优点： ● 螺纹套筒代替主螺栓， 承载能力大，装拆方便。 ● 预紧螺栓直径小
缺点： 螺纹套筒可能锈蚀 而拆卸困难。 （螺纹套筒可用 主螺栓代替）
适用范围： 大直径、高压力
双锥密封
双锥密封
g的大小 锥环刚度
锥环尺寸
双锥密封特点
预紧力的大小
1、结构简单，装拆方便、密封可靠。 2、半自紧密封，主螺栓直径较小。 3、压力和温度波动时也能保证良好密封。 适用范围：P=6.4~35MPa
保证密封的条件
预紧时，法兰密封 面上的比压不低于
预紧密封比压y
工作时，法兰密封面 上的比压不低于操作 密封比压，即m倍的 介质计算压力
影响密封的因素
螺栓预紧力 垫片性能
压紧面形式 和加工质 量
操作条件 法兰刚度
螺栓法兰连接设计
密封性设计 （压紧面、垫片、螺栓） 法兰标准简介 法兰强度计算方法简介
《钢制管法兰、垫片、紧固件》
GB9112~9125 JB/T 74~90
注意
* 一对相配的法兰必须选用同一标准
法兰公称直径（DN） —与法兰相配的筒体、封头或管子的公称直径。
法兰公称压力（PN） —指定材料的法兰在指定温度下的最大工作压力。
法兰公称压力等级欧美洲洲体体系系 * 两个体系间不能互相配用
t =0~400ºC
Di =400~2000mm
优点 1、全自紧式密封，压力和温度的波动不会影响密封可靠性。
2、取消了主螺栓，使筒体端部尺寸减小。 缺点 零件多、结构复杂。
伍德密封
C形环密封
O形环密封
其它密封结构
环形内腔可增 加垫片弹性和 自紧作用，补 偿温度波动对 密封的影响。
特点 1、透镜垫和锥形密封面线接触，密封容易。
法兰强度计算方法简介
弹性分析— 弹性失效设计准则(*) 塑性分析— 塑性失效设计准则 弹性分析设计计算方法WTiamteorssh法en(k*o)法
应力分析模型
法兰强度校核条件：
H
min
1.5[ ]tf
2.5[
]tn
R [ ]tf
T [ ]tf
有效补强范围
B
δet δt △ C
di+2C
C1+2C2
δnt
δe δ
（一）开孔削弱的面积
内压圆筒或球壳
A d 2 et (1 fr )
外压圆筒或球壳
其中：f r
[ ]tb [ ]tn
A 0.5[d 2 et (1 fr )]
平盖（开孔直径d≤0.5Di时）
H
R
2
[ ]tf
H
T
2
[ ]tf
高压密封结构
高压密封的基本要求
1、工作可靠，在正常压力和温度波动范围 内均能保证密封。 2、结构简单紧凑，装拆、维修方便。 3、密封元件能耐介质腐蚀且价格便宜。
高压密封的基本特点
1、金属密封元件 2、窄面或线接触密封 3、自紧或半自紧密封
特点： ● 强制式密封 ● 采用窄面金属垫片 ● 主螺栓直径大 适用范围：t ≤200ºC
① 要有全面的观念，综合考虑温度、压力、介质、 压紧面形式等方面要求，其中温度和压力是影响密 封的主要因素，也是选择垫片的主要依据。
② 在保证密封的前提下，尽量选用结构简单、价格 便宜、便于安装和更换的垫片。
③ 依据标准和规范，重视实践经验。
垫片选用表（表4-10）
螺栓设计
螺栓载荷
1、预紧工况
Fa=πDGby DG---垫片计算直径 b---垫片有效密封宽度 螺栓载荷Wa=Fa
2、管道可小范围偏转，自位性好。
高压管道密封
3、松式法兰，管道所受附加力矩小。
提高高压密封性能的措施
1、改善密封接触表面 2、改进垫片结构 3、采用焊接密封元件
螺栓载荷计算
平垫密封
螺栓法兰密封设计计算
双锥密封
代入几何关系：
（2）消除径向间隙g所需螺栓力