分离器设计说明书

目录
1 绪论 (1)
2设计选材及结构 (3)
2.1材料选择 (3)
2.2筒体及封头的选择 (3)
3设计计算 (4)
3.1确定罐体的工艺尺寸 (4)
3.2设计主要技术参数的确定 (4)
3.2.1设计压力 (4)
3.2.2设计温度 (5)
3.2.3厚度及厚度附加量 (5)
3.2.4焊接接头系数 (7)
3.2.5许用应力 (7)
3.3筒体厚度设计 (8)
3.4 封头壁厚设计 (10)
3.5水压试验及强度校核 (10)
4 附件的选择 (12)
4.1 人孔的选择 (12)
4.2人孔补强的计算 (13)
4.2.1补强判别 (14)
4.2.2开孔所需补强面积 (15)
4.3补强圈的设计 (17)
4.5液面计的设计 (18)
4.6压力计的设计 (19)
4.7安全阀的设计 (20)
4.8容器支座的选择 (20)
4.8.1承载核算 (21)
4.8.2鞍座的选择 (21)
4.9密封装置的设计 (22)
4.10 视镜的选择 (24)
4.11 溢流堰板的设计 (25)
5筒体和封头的强度及稳定性校核 (25)
5.1筒体的弯矩 (25)
5.2剪力 (26)
5.3.筒体应力计算及校核 (26)
5.3.1 圆筒轴向应力及校核 (26)
5.3.2筒体和封头切向应力及校核 (28)
5.3.3 支座截面处圆筒体的周向应力及校核 (29)
6容器制造工艺 (30)
6.1下料 (30)
6.1.1划线 (30)
6.1.2坡口加工 (30)
6.2成形 (30)
6.4筒节复圆 (33)
6.5纵缝无损检测 (34)
6.6筒体组装 (34)
6.7筒节环缝施焊 (34)
6.8筒节环缝无损检测 (34)
6.9划线开孔 (34)
6.10筒体封头总装 (35)
6.11设备附件组焊 (35)
6.12完工总检 (35)
6.13压力试验 (35)
结论 (37)
致谢 (36)
参考文献 (37)
附录.................................................................................................................................... . (38)
1 绪论
压力容器是一种密闭的承压容器，通常是由板、壳组合而成的焊接结构。

其应用广泛且用量大，但又比较容易发生事故且事故往往是严重的。

压力容器的设计一般有筒体、封头、密封装置、支座、接口管、人孔及安全附件等组成。

与任何工程设计一样，压力容器的设计目标也是对新的或改进的工程系统和装置进行创新和优化，以满足人们的愿望与需要。

具体来说，压力容器的设计人员应根据设计任务的特定要求，遵循设计工作的基本规则或规范，以及材料控制﹑结构细节﹑制造工艺﹑检验及质量管理等方面的规则，并尽可能地采用标准[1]。

本储罐是石油工业中必不可少的分离容器，所以本设计过程的内容包括容器的材质的选取、容器筒体结构和强度的设计，密封的设计、罐体及封头的强度设计、确定支座，人孔及接管、开孔补强的情况以及焊接形式的设计与选取。

在设计过程中要综合考虑经济性、实用性和安全可靠性。

设备的选择大都有相应的执行标准，设计时可以直接选用符合设计条件的标准设备零部件，也有一些设备没有相应标准，则选择合适的非标准设备。

各项设计参数都正确参考了行业使用标准或国家标准，这样让设计有章可循，并考虑到结构方面的要求，合理地进行设计。

此次设计主要原理来自《过程设备设计》一书以及相关的标准及规范[2]。

原油经过电脱盐后的颜色是由石油中含有的其它物质所形成的。

原油相对密度一般在0.75－0.95之间，少数大于0.95或小于0.75，相对密度在0.9－1.0的称为重质原油，小于0.9的称为轻质原油。

原油粘度变化较大，一般在1－100mPa.s之间，粘度大的原油俗称稠油，稠油由于流动性差而开发难度增大。

一般来说，粘度大的原油密度也较大。

原油的凝固点大约在-50℃－35℃之间。

凝固点的高低与石油中的组分含量有关，轻质组分含量高，凝固点低，重质组分含量高，尤其是石蜡含量高，凝固点就高。

原油很难溶于水中，但却能溶于普通的有机溶剂，如苯、氯仿、酒精、乙醚、四氯化碳等。

虽然原油几乎完全不能和水相溶解，但仍有少量水分会“包溶”于原油中，一定条件下可自然析出。

设计一台具体的化工设备或容器，必须全面考虑设计对象的工况条件，使其有：
1.总体结构合理、符合工艺要求，高效、可靠、经济；
2.保证受压元件强度、刚度和稳定性，密封良好，使用期内具有安全寿命；
3.力求制造、运输、安装、维修简便，易于实现质量监检与控制；
4.符合国家设计规定和标准，符合劳动部门法规。

设计概要
1.强度、稳定性设计
1)根据设计条件及所造的结构、材料进行强度、稳定性及密封计算，以确定设备或容器的机械尺寸。

通过计算，常会对结构加以修改，使之更加合理。

2)施工图设计根据设计计算的结果，绘制施工图，确定制造技术要求，提出各零件质量及设备总重、材料、品种、规格、用量及标准件、外构件等。

2.编写技术文件
1)计算书
2)设计说明书内容应包含技术经济分析，并表明技术经济指标生产能力与消耗系数；材料消耗与生产；维护管理费用
3)设计图纸
设计任务
设计一个容积为50.0m3卧式储罐。

设计数据表如表1-1所列：
表1-1 设计数据表
序号项目数值单位备注
1 名称初顶回流油罐
2 用途初顶油分离
3 工作压力0.05 MPa
4 工作温度40 ℃
5 全容积50 M³
6 物料名称油水
7 装量系数0.8
2设计选材及结构
2.1材料选择
根据初顶油的物性选择罐体材料，碳钢对初顶油有良好的耐蚀性，腐蚀率在0.1㎜/年以下，储罐可选用一般钢材，根据储罐的工作压力、工作温度和介质的性质可知该设备为一低压设备，介质对碳钢的腐蚀作用很小。

故选材料时，主要考虑的强度指标（指σs和σb）和塑性指标适合的材料，内罐贮存中温初顶油，可以考虑Q245、Q235这两种钢种。

Q235的特点是，塑性好，适合于制作各种型材，如板材、角钢、槽钢、工字钢等；同时它的焊接性能优良，适合于制造各种焊接结构。

所以初选Q235B[3] [5]。

2.2筒体及封头的选择
压力容器封头的种类较多，分为凸形封头、锥壳、变径段、平盖及紧缩口等，其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头和球冠形封头。

可参阅文献[1]126页。

常见容器凸形封头形式如下图示[1]。

图2-1 常见容器凸形封头的形式
从受力与制造方面分析来看，球形封头是最理想的结构形式。

但缺点是深度大，冲压较为困难；椭圆封头深度比半球形封头小得多，易于冲压成型，是目前中低压容器中应用较多的封头之一。

平板封头因直径各厚度都较大，加工与焊接方面都要遇到不少困难。

从钢材耗用量来看，球形封头用材最少，比椭圆形封头节约，平板封头用材最多。

因此，从强度、结构和制造方面综合考虑，采用椭圆形封头较为合理[6]。

筒体结构设计为圆筒形。

因为作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，这类容器应用最广。

3设计计算
3.1确定罐体的工艺尺寸
根据工艺要求，初顶油储罐可设计罐身为圆筒形，两端均用标准椭圆形封头的卧式容器[5]。

根据《化工设备标准手册》标准GB 9019-88中的表1压力容器的公称直径，筒体的容积、面积及质量查标准GB 9019-88表1。

表3-1 筒体用钢板卷制时，容器的公称直径表
300
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800
1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2800 3000
3200 3400 3500 3600 3800 4000 4200 4400 4500 4600 4800 5000 5200 5400 5500 5600 5800 6000 ——
由于容器设计压力为0.25Mpa,容积50立方米，根据HG3154-1985-7卧式椭圆形封头储罐系列，得：
初选筒体内径D i =2800㎜，设罐身的长度为L ，则：设L=7200㎜
对容积的核算[11]：
筒体体积V 1：V 1=232.8 3.1447.244.31m ⨯÷⨯=
封头体积V 2：经查表得到V 2=3.123m
总体积V ：312244.312 3.1250.55m V V V =+=+⨯=＞3=50s V m
式中 s V —设计容积，m ³。

所以取筒体：2800i D =㎜ L=7200㎜。

3.2设计主要技术参数的确定
压力容器设计技术参数主要有设计压力、设计温度、厚度及其附加量、焊接接头系数和许用应力等。

3.2.1设计压力
设计压力为压力容器的设计载荷条件之一，其值不得低于最高工作压力。

而最高工作压力系指容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。

设计压力应视内压或外压容器分别取值。

当内压容器上装有安全泄放装置时，其设计压力应根据不同形式的安全泄放装置确定。

装设安全阀的容器，考虑到安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力
不应低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的1.05-1.10倍；装设爆破片时，设计压力不得低于爆破片的爆破压力。

对于盛装气液共存的容器，由于容器内介质压力为气体的饱和蒸汽压，在规定的装量系数范围内，与体积无关，仅取决于温度的变化，故设计压力与周围的大气环境温度密切相关。

此外，还要考虑容器外壁有否保冷设施，可靠的保冷设施能有效地保证容器内温度不受大气环境温度的影响，即设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。

计算压力是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。

通常情况下，计算压力等于设计压力加上液柱静压力。

当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。

本设计的工作状态为真空，工程上常取2.5倍的大气压为设计压力，因此可取设计压力0.25c p MPa 可参阅文献[1]114页。

3.2.2设计温度
设计温度也为压力容器的设计载荷条件之一，它是指容器在正常情况下，设定元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。

当元件金属温度不低于0℃时，设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度；当元件金属温度低于0℃时，其值不得高于元件金属可能达到的最低温度。

GB150规定设计温度等于或等于-20℃的容器属于低温容器。

元件的金属温度可以通过传热计算或实测得到，也可按内部介质的最高（最低）温度确定，或在此基础上增加（或减少）一定数值。

设计温度与设计压力存在对应关系。

当压力容器遇有不同的操作工况时，应按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况下各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。

可参阅文献[1]114页。

由于本设计的工作温度是40℃，而操作工况与启动工况或停车工况时压力差别大，而且四季变换也会有温度波动，所以设计温度相应比最高工作温度要高些，故取设计温度为60℃。

3.2.3厚度及厚度附加量
由公式所给出的厚度为计算厚度，并未包括厚度附加量。

设计时要考虑的厚度附加量C 由钢材的厚度负偏差C 1和腐蚀裕量C 2组成，即C=C 1+C 2,不包括加工减薄量C 3。

加工减薄量一般根据具体制造工艺和板材的实际厚度由制造厂而并非由设计人员确定。

因此，出厂时的实际厚度可能和图样厚度不完全一样。

计算厚度（δ）是按有关公式采用计算压力得到的厚度。

必要时还用计入其他载荷对厚度的影响。

设计厚度（δd ）系计算厚度与腐蚀裕量之和。

名义厚度（δn ）指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，及标注在图样上的厚度。

有效厚度（δe ）为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差。

成形后厚度指制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二次向上圆整得到的坯板厚度，再减去实际加工减薄量后的厚度，也为出厂时容器的实际厚度。

一般情况下，只要成形后厚度大于设计厚度就可满足强度要求。

详见文献[1]115页图4-5。

图3-1 各种厚度间的关系
钢板或钢管厚度负偏差C 1应按相应钢材标准的规定选取。

当钢材的厚度负偏差不大于0.25㎜,且不超过名义厚度的6%时，可取C 1=0。

由于GB6654《压力容器用钢板》和GB3531《低温压力容器用低合金钢钢板》规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0.25㎜，一次使用该标准中钢板厚度超过5㎜时（如20R 、16MnR 和16MnDR 等），可取1C =0；常用钢板（如20g 、Q235-A 以及0Cr18Ni9等）的厚度负偏差见表3-2。

表3-2 常用钢板的厚度负偏差C 1值
钢板标准
GB/T 3274 GB/T 3280 GB/T 4237 GB/T 4238 钢板厚度
＞5.5—7.5 ＞7.5—25 ＞25—30 ＞30—34 负偏差1C
0.6 0.8 0.9 1.0 钢板厚度
＞34—40 ＞40—50 ＞50—60 ＞60—80 负偏差1C 1.1 1.2 1.3 1.8
腐蚀余量主要是防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄。

与腐蚀介质直接接触的筒体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的腐蚀裕量。

腐蚀裕量一般可根据钢材在介质中的均匀腐蚀速率和容器设计寿命确定。

在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，2C 不小于1㎜；对于不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，可取2C =0。

但腐蚀裕量只对防止发生均匀腐蚀破坏有意义；对于应力腐蚀、氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，用增加腐蚀裕量的办法来防止腐蚀效果不佳，此时应着重于选择腐蚀材料或进行适当的防腐蚀处理。

本设计取120.8,2C mm C mm ==，可参阅文献[1]115~116页。

3.2.4焊接接头系数
通过焊接制成的容器，焊缝中可能存在夹渣、未熔透、裂纹、气孔等焊接缺陷，且在焊缝的热影响区很容易形成粗大晶粒而使目的材料的强度或塑性有所降低，因此焊缝往往成为容器强度比较薄弱的环节。

为弥补焊缝对容器整体强度的削弱，在强度计算中需引入焊接接头系数。

焊接接头系数表示焊缝金属与目的材料强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。

可参阅文献[1]116页。

影响焊接接头系数大小的因素较多，但主要与焊接接头形式和焊缝无损检测的要求及长度比例有关。

中国钢制压力容器的焊接接头系数可按表3-3选取。

表3-3 钢制压力容器的焊接接头系数值
焊接接头形式
无损检测比例 φ值 焊接接头形式 无损检测比例 φ值 双面焊对接接头和相当于
双面焊的全熔透对接接头 100% 1.00 单面焊对接接头（沿焊接根部全长又紧贴基本金属的垫板）
100% 0.90 局部 0.85 局部 0.80 本设计的筒体及封头焊接接头采用双面焊局部无损检测，故取φ=0.85。

3.2.5许用应力
许用应力是容器壳体、封头等受压元件的材料许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数（又称安全系数）之比。

设计时必须合理地选择材料的许用应力，采用过小的许用应力，会使设计的部件过分笨重而浪费材料，反之则使部件过于单薄而容易破损。

作为压力容器受压元件设计时的许用应力，即按下式取值
[]min t b s s b s s n n n σσσσ⎧⎫=⎨⎬⎩⎭
，，
也就是说在设计受压元件时，以抗拉强度和屈服点同时来控制许用应力。

GB150给出了钢板、钢管、锻件以及螺栓材料在设计温度下的许用应力值，同时也列出了确定钢材许用应力的依据，表3-4所示为钢材（除螺栓材料外）许用应力的确定依据。

可参阅文献[1]116~117页。

表3-4 钢制压力容器用材料许用应力的取值方法 材料
许用应力
取下列各值中的最小值/MPa
碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢
3.01.61.6 1.51.0
t t t
b s s n
D σσσσσ，，，， 奥氏体高合金钢
0.20.2()()3.0
1.5
1.5
1.51.0
t t t t
b s s n
D σσσσσσσ，
，
，，
3.3筒体厚度设计
初顶回流油罐通常置于室外，罐内的温度和压力直接受到大气温度的影响，在夏季液氨储罐经太阳暴晒，随着气温的变化，储罐的操作压力也在不断变化。

储罐在夏季最高温度可达到55℃。

由于在操作过程中有气体析出，《压力容器安全监察规程》规定液化气体储罐必须安装安全阀，设计压力通常可取最大操作压力的1.05~1.10倍。

设计压力 1.10.250.275p MPa =⨯=
故取设计压力 0.275p MPa =
由于 5%0.050.2750.014p MPa =⨯=
液柱静压力
0.99.828000.0255%l p gh MPa p ρ==⨯⨯=≥ 所以
0.025+0.275=0.3c p MPa =
在设计温度60℃,估计筒体的厚度在6~16㎜范围内，为安全取许用应力
[]t
σ=115MPa ，焊接接头采用V 坡口双面焊接，采用局部无损检测，其焊接接头系数
由焊接接头系数表查得φ=0.85[1] [3]。

根据GB150-2011标准，Q235B 的特性如下：
表3-5 Q235B 的许用应力表
钢号
板厚/㎜ 在下列温度（℃）下的许用应力/MPa
≤20
100 150 200 250 300 Q235B
3~16 16~36
116 116
113 108
108 102
99 94
88 82
81 75
取[]t
σ=115Mpa 筒体厚度计算：
由于 []0.30.40.41150.8539.1t
c p MPa MPa σφ=≤⨯=⨯⨯=
所以 []0.32800
4.321150.850.3
2c i t
c
p D p δσφ⨯=
=
=⨯⨯--㎜ (3-1)
式中 δ—筒体计算厚度，㎜；
c p —计算压力，MPa ；
[]t
σ—许用应力，MPa ；
φ—焊缝街头系数；
i D —筒体内径，㎜。

在《钢制压力容器》中，取10.8C mm =，平面腐裕量取22C mm =。

n 4.32+0.87.1C δδ=+=+=㎜ 式中
n δ——名义厚度，㎜。

根据钢板厚度规格，圆整后取名义厚度δn ，确定选用8n mm δ=的Q235B 钢板。

可参阅文献[1]117页。

现已知圆筒尺寸i D 、n δ，需对圆筒进行强度校核，其应力强度判别按下式进行。

()()()
[]0.328008 2.880.921150.8597.75228 2.8t
c i e t
e p D MPa MPa δσσφδ+⨯+-===≤=⨯=⨯-(3-2)
式中
e δ——有效厚度，=e n C δδ-,㎜；
n δ——名义厚度，㎜；
C ——厚度附加量，㎜；
t σ——设计温度下圆筒的计算应力，MPa 。

满足强度条件。

因此，圆筒的最大允许工作压力[]w p 为
[][]()()
228 2.81150.85
0.3628008 2.8t
e w i e
p MPa D δσφδ⨯-⨯⨯=
==++-＞0.25MPa （3-3)
式中
[]w p ——圆筒的最大允许工作压力，MPa 。

满足条件。

根据HG3154-1985-7，圆整后选取厚度8㎜Q235B 钢板。

筒体尺寸表如表所示：
表3-6 筒体尺寸表
公称直径
i D
一米高的容积V
（3
m ） 一米高的内表面积B F (㎡) 名义厚度n δ（㎜）
一米高筒节钢板质量（㎏）
2800
6.154
8.792
8
909
3.4 封头壁厚设计
采用标准椭圆形封头，各参数与筒体相同。

[]0.32800
4.3021150.850.50.3
20.5c i
t
c
p D p δσφ⨯=
=
=⨯⨯-⨯-㎜ (3-4)
式中
φ＝0.85
设计厚度 2 4.302 6.30d C δδ=+=+=㎜
从制造和受力角度考虑，一般与筒体厚度一致，取名义厚度8n δ=㎜的Q235B 钢板。

椭圆形封头的最大允许工作压力按下式确定
[][]()()
228 2.81150.85
0.3630.250.5 1.028000.58 2.8t
e w i e
p MPa MPa D δσφδ⨯-⨯⨯=
=
=>K +⨯+⨯- (3-5)
所以封头也符合设计条件。

可参阅文献[1]127页。

表3-7 封头尺寸表
公称直径g D
曲面高度1h
直边高度2h
容积V （3
m ） 内表面积F (㎡)
名义厚度
n δ（㎜）
质量（㎏） 2800
700
40
3.12
8.82
12
834.0
3.5水压试验及强度校核
根据公式，试验压力[][]t
T p
p σση= (3-6)
式中 T p ——试验压力，MPa ；
η——耐压试验压力系数，一般取=1.25η；
p ——设计压力，MPa ；
[]σ——材料许用应力，当容器各元件（筒体、封头、接管、法兰及紧固件等）
所用材料不同时，应取各元件材料许用应力比[][]/t
σσ的最小值；
[]t
σ——设计温度下材料的许用应力，MPa 。

先按公式确定水压试验时的压力T P 为：
[]
1.25 1.250.3 1.00.375[]T c
t P P MPa σσ==⨯⨯=， 水压试验时应力校核[1] [2]： 计算水压试验时应力
[]()()
0.37528008 2.8101.15228 2.8T i e T e
p D MPa δσδ⨯+-⎡⎤+⎣⎦
=
=
=⨯- (3-7)
Q235B 钢板的钢材屈服极限235s a MP σ=， 在常温水压试验时的许用应力
0.90.92350.85179.78s MPa σφ=⨯⨯=
φσσs T 9.0<，故筒体厚度满足水压试验时的强度要求。

4 附件的选择
4.1 人孔的选择
压力容器人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。

人孔主要由筒节、法兰、盖板和手柄组成。

一般人孔有两个手柄。

选用时应综合考虑公称压力、公称直径、工作温度以及人、手孔的结构和材料等诸方面的因素。

人孔的类型很多，从是否承压来看有常压人孔和承压人孔。

从人孔所用法兰类型来看，承压人孔有板式平焊法兰人孔、带颈平焊法兰人孔和带颈对焊法兰人孔，在人孔法兰与人孔盖之间的密封面，根据人孔承压的高低、介质的性质，可以采用突面、凹凸面、榫槽面或环连接面。

从人孔盖的开启方式及开启后人孔盖的所处位置看，人孔又可分为回转盖人孔、垂直吊盖人孔和水平吊盖人孔三种。

选择使用上有较大的灵活性。

常见的人孔形状有圆形和椭圆形两种，为使操作人员在能够自由出入，圆形人孔的直径至少应为400㎜，椭圆形人孔的尺寸一般为350㎜⨯450㎜[1] [7]。

容器上开设人孔规定当Di>1000时至少设一个人孔，本设计初选一个圆形人孔。

根据储罐的工作温度及最高工作压力为0.25MPa,人孔的标准按公称压力为0.25MPa等级选取，查标准选回转盖板式平焊法兰人孔(HG/T 21516-2005)，人孔筒节轴线垂直安装。

公称直径500㎜,凸法兰密封面（C型），采用Ⅱ类20R材料、垫片采用外环材料为低碳钢、金属带为0Cr19Ni9、非金属带为柔性石墨、C型缠绕垫。

法兰标准号为HGJ50～53-91，垫片标准号为HGJ69～72-91，法兰盖标准HGJ61～65-91 材料为20R，螺柱螺母标准HGJ75-91螺柱材料35CrMoA螺母材料30CrMo，吊环转臂的材料为Q235-A·F，垫圈标准为GB95-85 ，材料100HV，螺母标准GB41-86，吊钩环材料为Q235-A·F，支承板材料为20R。

人孔尺寸表如下表[8] [9]。

4-1 回转盖板式平焊法兰人孔尺寸表
密封面形式PN/
MP
a
DN w
d s
⨯
d D
1
D1
H
2
H
b
1
b2
b
A
o
d
螺
柱
螺
母
螺柱总
质
量
㎏
数量
直径
⨯长
度
突面
（RF 型）0.6 500
530⨯
6
500
6
4
5
600 230
10
6
3
2
2
4
2
6
35
5
20 20 40
M20
⨯115
117
4.2人孔补强的计算
由于各种工艺和结构上的要求，不可避免地要在容器上开孔并安装接管。

开孔以后，除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强。

压力容器开孔补强的计算方法有多种，为了计算方便，采用等面积补强法，即壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。

当补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积[1] [7]。

补强材料采用Q235B 。

压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构，主要有补强圈补强、厚壁接管补强和整锻件补强三种形式，如图4-1所示。

图4-1补强元件的基本类型
1）补强圈补强 这是中低压容器使用最为广泛的补强结构，补强圈贴焊在壳体与接管连接处，如图4-2（a ）所示。

它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠、使用经验丰富等优点。

但补强圈与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，二者存在较大的热膨胀差，因而使补强区域产生较大的热应力；另外，补强圈与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，所以抗疲劳性能差。

这种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1.5n δ、壳体名义厚度n δ不大于38㎜的场合。

2）厚壁接管补强 即在开孔处焊上一段厚壁接管，如图4-2（b ）所示。

由于接管的加厚部分正处于最大应力区域内，故比补强圈更能有效地降低应力集中系数。

接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检查，因此补强效果较好。

高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该结构，但必须保证焊缝全熔透。

3）整锻件补强 该补强结构是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，如图4-2（c ）所示。

此补强只在重要压力容器中应用，如核容器，材料屈服点在500MPa 以上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大直径开孔
等。

可参考文献[1]160~164页。

4.2.1补强判别
GB150规定，当在设计压力小于或等于2.5MPa 的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称直径小于或等于89㎜时，只要接管最小厚度满足下表要求，就可不另行补强。

由文献[1]161页表4-15。

表4-2不另行补强的接管最小厚度 单位：㎜
接管公称外径 25
32 38
45
48
57
65
76
89
最小厚度
3.5
4.0
5.0
6.0
根据表4-2,允许不另行补强的最大接管外径为φ89㎜。

本开孔外径等于500㎜，故需另行考虑其补强。

可参考文献[1]160页。

等面积补强允许开孔的范围GB150对开孔最大直径作了如下限制。

1) 圆筒上开孔的限制，当其内径D 1500i ≤㎜时，开孔最大直径1
D 2
i d ≤，且
520d ≤㎜；当其内径D >1500i ㎜时，开孔最大直径1
D 3
i d ≤，且1000d ≤㎜；
2) 凸形封头或球壳上开孔最大直径
1D 2i
d ≤
；
3) 锥壳（或锥形壳体）上开孔最大直径1
3i d D ≤，i D 为开孔中心处的锥壳内直
径；
4）在椭圆形或蝶形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面。

椭圆形或蝶形封头上开孔的孔边或外加补强元件的边缘与封头边缘间的投影距离不0.1D i 。

本设计所选用的人孔筒节内径为i d =535㎜,壁厚nt δ=6㎜。

故补强圈尺寸如下： 查HG/T21515-2005得人孔的筒体尺寸为Φ530×6，由标准查得补强圈内径
i d =535㎜,外径o d =840㎜。

开孔直径 25182 2.8523.6i d d C =+=+⨯=㎜ 式中
d ——开孔直径，圆形孔等于接管内直径加2倍厚度附加量，椭圆形或长圆
形孔取所考虑平面上的尺寸（弦长，包括厚度附加量），㎜。

本筒体开孔直径D 523.6<
9333
i
d ==㎜㎜,且满足1000d ≤㎜，满足等面积法开孔
补强计算的使用条件，故可用等面积法进行开孔补强。

可参考文献[1]161页。

4.2.2开孔所需补强面积 筒体计算厚度： 4.3mm δ=
式中
δ——筒体计算厚度，㎜
开孔所需补强面积按下式计算
()()2A=d 21523.6 4.32 4.341-12244.6et r f δδδ+-=⨯+⨯⨯⨯=㎜ (4-1)
式中 A ——开孔削弱所需要的补强面积，2㎜；
d ——开孔直径，圆形孔等于接管内直径加2倍厚度附加量，椭圆形或长圆形孔
取所考虑平面上的尺寸（弦长，包括厚度附加量），㎜；
δ——壳体开孔处的计算厚度，㎜；
et δ——接管有效厚度，=-et nt C δδ，㎜；
r f ——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=1.0r f 。

有效宽度范围：
有效宽度B 按一下公式确定
22523.61047.2B d =⋅=⨯=㎜ (4-2)
22523.62826551.6n nt B d δδ=+⋅+⋅=+⨯+⨯=㎜
取最大值B=1044㎜ 式中 B ——补强有效宽度，㎜；
n δ——壳体名义厚度，㎜；
nt δ——接管名义厚度，㎜。

有效高度h ：
外侧有效高度1h 按下式确定
1523.6 5.256nt h d δ==⨯=㎜ (4-3)
1230h =㎜（实际外伸高度） 两者取较小值，故156h =㎜
内侧有效高度2h 按下式确定
2523.6 5.256nt h d δ=⋅=⨯=㎜ (4-4)
2106h =㎜（实际内伸高度） 两者取较小值256h =㎜
有效补强面积：。