12.第十二章 开孔补强与设备凸缘
第十二章压力容器的开孔补强
m
23
(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
13
(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
14
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
10
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
11
一、开孔应力集中及应力集中系数
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。
1
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。
开孔补强
目录1前言及概念 21.1开孔补强的适应范围和方法 (2)1.2满足开孔条件时，可采用的三种补强方法 (2)1.3开孔补强的目的 (3)1.4补强结构(补强元件类型) (3)1.4.1加强管补强 (3)1.4.2整体锻件补强 (3)1.4.3加强圈的补强 (3)1.5壳体开孔的有关规定 (4)1.5.1允许不补强时开的最大孔直径 (4)1.5.2壳体上允许开的最大孔直径d max (4)1.6等面积补强计算方法 (5)1.6.1各国压力容器规范主要采用的准则(补强准则的种类) (5)1.6.2等面积补强的原则 (5)1.6.3等面积补强计算方法 (5)2工艺设计72.1设计要求 (7)2.2连续釜式反应器工艺设计 (7)2.2.1单段连续釜式反应器 (7)2.2.2反应器直径和高度的计算 (8)3 机械设计 83.1手孔的开孔补强计算 (8)3.1.1计算是否需要补强 (9)3.1.2计算开孔失去的面积A. (9)3.1.3计算有效补强面积A0 (10)3.2进料口的开孔补强计算 (10)3.2.1计算是否需要补强 (10)4补强结构图115总结126参考文献121前言及概念在日常的压力容器设计工作中，经常会遇到压力容器开孔补强问题。
压力容器开孔以后，不仅整体强度受到削弱，而且还因开孔引起的应力集中造成开孔边缘局部的高应力，加上接管上有时还有其他的外载荷所产生的应力及热应力，而容器材料、以及开孔结构在制造和焊接过程中又不可避免地会形成缺陷和残余应力，开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位，于是开孔附近就往往成为压力容器的破坏源一一主要是疲劳破坏和脆性裂口。
因此，按照GBl50-1998Ⅸ钢制压力容器》的规定，在压力容器设计过程中必须充分考虑开孔的补强问题。
1.1开孔补强的适应范围和方法(1)当其内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤1／2Di，且d≤520mm；当其内径D≥1500mm时，开孔最大直径d≤l／3Di，且d≤1000mm；(2)凸形封头或球壳的开孔最大直径d≤1／2Di；(3)锥壳(或锥形封头)的开孔最大直径d≤1／3Di，Di为开孔中心处的锥壳内直径；(4)在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面。
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。
开孔补强与设备凸缘概述
开孔补强与设备凸缘概述引言开孔补强和设备凸缘是在工业领域中常见的工程技术措施。
它们在各种设备和管道系统中起到了重要的作用，包括管道、容器、锅炉、机械设备等。
本文将对开孔补强和设备凸缘进行概述，介绍它们的定义、作用、种类及应用。
开孔补强的定义和作用开孔补强是一种用于增强和加固设备和管道中开孔部分的技术措施。
在工业设备和管道系统中，由于安装和使用的需要，我们常常需要在设备和管道上开孔来进行连接、安装附件、放置仪器仪表等。
然而，开孔会破坏原有的结构完整性和强度，从而需要采取开孔补强来恢复和提升其强度。
开孔补强的作用主要有以下几方面：1.增强结构强度：通过开孔补强，在开孔部位增加材料，可以显著提升设备和管道的整体强度，确保其在工作过程中能够承受外部压力、振动、震动等作用。
2.防止局部失效：开孔补强可以减少开孔部位的应力集中，防止局部失效和破坏。
通过设计合理的补强结构，可以使开孔部位的应力分布更加均匀，提高其承载能力和使用寿命。
3.保证工艺安全：开孔补强还可以保证设备和管道在工艺过程中的安全性。
通过合理的补强措施，可以避免开孔部位的松动、脱落等问题，确保设备和管道的正常运行和操作安全。
开孔补强的种类根据补强的方式和材料不同，开孔补强可以分为以下几种常见的形式：1.增加补强板或片：在开孔部位加装钢板、铝板等补强材料，通过螺栓、焊接等方式加固设备和管道。
这种补强方式适用于开孔较小的情况，能够提供较好的补强效果。
2.焊接补强：通过对开孔部位进行焊接，加固开孔部位的连接和结构强度。
这种补强方式一般适用于较大的开孔，并能够提供较高的强度和稳定性。
3.确保开孔形状：在开孔部位保持一定的倒角或半径圆弧，减少应力集中，并避免开孔边缘产生裂纹和破坏。
这种补强方式是最简单易行的一种，但是在某些情况下可能不够强度。
4.使用负荷分担装置：通过引入额外的装置，在开孔附近分担部分负荷，减少开孔部位的应力，以增强结构强度。
这种补强方式适用于对开孔部位的补强要求较高的情况。
12开孔补强与设备凸缘
(3)回转壳体上开小圆孔
当球壳直径较大，q1=q2 时
q1
a2 r2
q1
a2 r2
r 0
在r=a的孔边处 σmax=σθ=2q ，孔边应 力高于原离孔区附近的 均匀应力一倍。
在直径较大的薄壁圆筒上开小圆孔，此时q1=2q2
r
3q2 2
1
a2 r2
q2 2
1
4a2 r2
3a 4 r4
当两向拉力不同时，在弹 性变形范围内开孔附近应 力可叠加求解。
γ
θ
q2
2a
若平板受双向压力，则可用单向受压平板的上述结论 分别计算q1和q2单独作用时的应力值，然后进行叠加。如： 当q1>q2时,可计算出最大切向应力在 孔的边缘处，其
2
值为：
max 3q1 q2
即最大应力总是在与较大的拉应力方向相垂直并通过孔心 的截面上。
向拉伸的平板,且
q1
q2
pR
2
(σ是球壳中的薄膜应力).
于是,球壳上小孔边缘任一点的环向应力均为:
max 3q1 q2 2
球壳开孔边缘上的最大切向应力与该球壳环向薄膜应力之 比称为应力集中系数,用K表示:
K max 2 2
⒉圆柱壳体上开小圆孔
2 m
若忽略圆柱曲率影响(当a/R较小时),则可把圆柱壳看成双 向受拉平板,且q1=σθ,q2=σm。孔边的最大应力出现在孔中心 线所在的壳体纵向截面上,其值为:
max
q1
1
2
a b
q2
由此可见,最不利的是使椭圆的长轴与大的外力方向垂直。
二、回转壳体上开小孔时所造成的应力集中
以下讨论有两个前提: (一)孔的半径a相对于壳体的曲率半径R很小,壳体可近
压力容器壳体的开孔与补强
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。
压力容器基础知识 - 开孔和补强
二、对容器开孔的限制 ◆ 当圆筒内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d ≤Di/2， 且d ≤520mm；当圆筒内径Di＞1500mm时，开孔最大直径 d ≤Di/3，且d ≤1000mm。 ◆ 凸形封头或球壳上开孔时，开孔最大直径d ≤Di/2。 ◆ 锥壳上开孔时，开孔最大直径d≤Di/3，Di为开孔中心 处锥壳内径。 ◆ 在椭圆形或碟形封头的过渡区开孔时，孔的中心线宜 垂直封头表面。
标准补强圈结构
◆ 补强圈结构的适用范围 A型适用于无疲劳、无低温及大的温度梯度的一类压力 容器，且要求设备内有较好的施焊条件。 B型适用于中压、低压及内部有腐蚀的工况，不适用于 高温、低温、大的温度梯度及承受疲劳载荷的设备。S 取管子名义壁厚的0.7倍，一般δn t=δn/2 (δn t为 接管名义厚度；δn为壳体名义厚度)。 C型适用于低温、介质有毒或有腐蚀性的操作工况，采 用全焊透结构，要求当δn≤16 mm时，δn t≥δn/2； 当δn＞16 mm时，δn t≥8mm。 D型适用于壳体内不具备施焊条件或进入设备施焊不便 的场合，采用全焊透结构，要求当δn≤16 mm时，δn t≥δn/2；当δn＞16 mm时，δn t≥8mm。 E型适用于储存有毒介质或腐蚀介质的容器，采用全焊 透结构，要求当δn≤16 mm时，δn t≥δn/2；当δn ＞16 mm时，δn t≥8mm。 F型适用于中温、低温、中压容器及盛装腐蚀介质的容 器，要求当δn≤16 mm时，δn t≥δn/2，当δn＞16 mm时，δn t≥8mm，且接管公称直径DN≤150 mm.
◆ 标准补强圈的选用
若需采用补强圈补强 ，可采用以下程序来选择标准补 强圈：
● 确定补强圈的尺寸； ● 由设备的工艺参数决定补强圈的结构； ● 补强圈材料取与被补强壳体材料相同。
浅谈压力容器设计中开孔补强设计的应用
浅谈压力容器设计中开孔补强设计的应用1. 引言1.1 引言在压力容器设计中，开孔补强设计是非常重要的一个环节。
对于压力容器来说，开孔部分通常是存在的，但是如何进行补强设计，能够有效地提高容器的承载能力和安全性，是设计中需要重点考虑的问题。
开孔补强设计的应用不仅可以保证压力容器的正常使用，还可以延长其使用寿命，减少事故发生的可能性。
在压力容器设计中，开孔补强设计需要考虑多个因素，包括材料的选择、补强结构的设计、开孔位置和大小等。
通过合理的开孔补强设计，可以有效地避免开孔处的应力集中，减少裂纹的产生和扩展，提高容器的整体强度和稳定性。
在本文中，我们将深入探讨压力容器设计中开孔补强设计的重要性和意义，介绍常见的开孔补强设计方法，并分析开孔补强设计中需要考虑的因素。
我们还将通过实例分析，展示开孔补强设计在实际工程中的应用和效果。
通过对开孔补强设计的深入研究，可以为压力容器设计提供更加科学和有效的指导，保证容器的安全运行。
2. 正文2.1 压力容器设计的重要性压力容器设计是工程领域中非常重要的一部分，它涉及到人们日常生活中广泛使用的许多设备和设施，比如锅炉、储罐、管道等。
压力容器设计的质量和安全性直接影响到设备的稳定运行和人员的生命财产安全，因此设计过程中必须十分严谨和谨慎。
压力容器设计需要满足一定的强度和刚度要求，以承受内部或外部的压力载荷。
设计不合理或强度不足可能导致容器发生破裂或变形，造成严重的事故。
压力容器设计还需要考虑到材料的选择、耐腐蚀性能、尺寸和形状等因素，以确保设备在各种工况下都能正常运行。
在压力容器设计中，开孔补强设计是一项重要的技术。
通过在容器上开孔并在周围进行补强，可以提高容器的承载能力和疲劳寿命。
开孔补强设计不仅可以减少材料的使用量，降低制造成本，还可以提高容器的整体性能和安全性。
在压力容器设计中，合理应用开孔补强设计技术是至关重要的。
2.2 开孔补强设计的意义开孔补强设计的意义在于提高压力容器的结构强度和稳定性，有效减轻压力容器在运行过程中的应力集中和疲劳损伤，延长压力容器的使用寿命，同时也能减小结构的重量和成本，提高压力容器的安全性和经济性。
开孔补强
当
相当于在球壳上开椭圆孔
A
1 2 2
相当于在圆柱壳上开椭圆孔
max A (0.5
2a ) b
2a ) b b B ( 0.5) a
max A
2a b
A ( 0.5
Kt
max
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容器开检查孔的有关规定
为检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、 腐蚀等缺陷，压力容器应开设检查孔。检查孔包括人 孔和手孔.手孔应开设在封头上或封头附近的筒体上
(mm) 检查孔最少数 量 手孔2个 人孔1个或手孔 2个(当容器无法 开人孔时) Ф 400或长 圆孔 400×250， 380×280
9
平板开椭圆孔的应力集中
2、双向拉伸应力作用（2）
2a ) 2 b 2b B 1 2 (1 ) a
椭圆孔的长轴与拉伸应力的 1 方向垂直
A 1 (1
1 2
2a b 2b B a
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开孔补强结构
1、局部补强结构
指另外在壳体开孔处的一定范围内增加补强元 件或增大壳体壁厚、接管壁厚。 如果将连接处的 接管或壳体壁厚适当加厚，上述局部地区的应力 集中在很大程度上得到缓和，应力集中系数可以 控制在所允许的范围内。
2、整体补强 •用增加整个壳体壁厚的办法来降低开孔附近的应 力；由于开孔应力集中的明显局部性，在不大的范 围以外便恢复到正常的应力值，故除了制造或结构 上的需要以外，一般并不需要把整个容器壁加厚。
27
补强圈结构的补强计算
补强圈补强的相关规定 补强圈厚度≤1.5δn 标准抗拉强度σb ≤540MPa 壳体厚度≤38mm
开孔补强与附件
人孔：筒节、法兰、盖板和手柄。 使用中常打开，可用快开式结构人 孔。
手孔（HG21515～21527-95） 和人孔（HG21528～2153595）已有标准， 设计时根据设备的公称压力， 工作温度以及所用材料等按 标准直接选用。
（四） 视镜 观察内部，也可用作物料液面 指示镜。 分为不带颈视镜和带颈视镜。
(4) 接管最小壁厚满足表4-23的要求。
接管公称外 径 最小壁厚
25 32 38 45 48 57 65 76 89 3.5 4.0 5.0 6.0
屈服极限＞540MPa，全焊透；接管腐蚀裕量 1mm。
五、其他附件
㈠ 接口管
用于装置测量、控制仪表， 或连接其他设备和介质的 输送管道。 焊接设备的接口管长度
铸造设备接管可与筒体一并铸出 螺纹管主要用来接温度计、压力 表或液面计等，阴螺短时可用凸缘 代替(又叫突 出接口) 凸缘本身有加强作用，不需另外补强。 当螺柱折断在螺栓孔中，取出较困难。 凸缘与管道法兰配用，联接尺寸应根据所选用 的管法兰来确定。
（三）手孔与人孔
㈢ 不需补强的最大开孔直径
计算壁厚考虑了焊缝系数，钢板规格， 壳体壁厚超过实际强度，最大应力 值降低，相当于容器已被整体加强。 且容器开孔总有接管相连，其接管多 于实际需要的壁厚也起补强作用。 容器材料有一定塑性储备，允许承受 不是十分过大的局部应力，所以当 孔径不超过一定数值时，可不进行 补强。
壳体开孔满足全部条件，可不另行补强： (1) 设计压力小于或等于2.5MPa； (2) 两相邻开孔中心的间距(对曲面间距 以弧长计算)应不小于两孔直径之和的 两倍； (3) 壳体名义壁厚大于12mm，接管公称 外径小于或等于80mm；壳体名义壁厚 小于或等于12mm ，接管公称外径小于 或等于50mm (4) 接管最小壁厚满足表4-23的要求。
12开孔补强
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开孔补强设计步骤： （1）确定壳体及接管的计算壁厚δ和δt ,C、C2以及d ； （2）确定有效宽度B和高度h1 、h2 ； （3）计算A1、 A2、A3和A ； （4）比较Ae (=A1+A2+A3)与A ，若Ae ≥A,则无需补强， 否则，须补强。 （5）计算有效补强范围内另加补强面积A4≥A-Ae 。 注意：●补强板厚度和材质一般与壳体相同；
（3）整锻件补强结构
化 工 设 备 机 械 基 础
整锻件补强－把补强圈金属与开孔周围的壳体金 属熔合在一起来降低开孔附近的应力。 补强区更集中在应力集中区，能最有效地降低 应力集中系数，而且全部焊接接头都采用对接焊 缝，易探伤，易保证质量，所以这种补强结构的 抗疲劳性能最好。缺点是锻件供应困难，制造繁 琐，成本较高。 常用于σb ≥540MPa级的钢板制作的容器上及高压 容器、核容器上等。
●补强板外径一般与B值相同。
注：有效补强范围
等面积补强法认为在 右图中的WXYZ的矩 形范围内补强是有效 的。超过该范围的补 强没有作用。
w
X
A2
补强区内补强金属面积A A
有效补强区WXYZ内可作为有效补 强金属的面积有以下几种：
Z
3
A1
A4
Y
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化 工 设 备 机 械 基 础
以上是壳体上单个开孔的等面积补强方法，工程上有
优点：制造方便，造价低，使用经验成熟丰富 缺点：补强区域过于分散，补强效率不高；补 强圈与壳体或接管之间存在着一层静气隙，传热效 果差，容易在两者间引起热应力；由于补强圈与壳 体或接管没有形成一个整体，因而抗疲劳能力差； 补强圈外缘与壳体的搭接填角焊缝处，外形尺寸突 变，会引起不连续应力，此处的焊缝容易开裂。
压力容器壳体的开孔与补强
压力容器的开孔与补强本章重点容及对学生的要求：（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：⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=θστθσσσθσσσθθ2sin32122cos312122cos34121242224222422222rarararararararr（2）平板开孔的最大应力在孔边2πθ±=处，孔边沿ar=处：σσστπθθθ3,0max2===±=r应力集中系数：0.3max==σσtK3、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==σσtK4、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：⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=θστθσσσθσσσσθθ2sin32142cos3141432cos34122312422214212242222122rarararararararr（3）Fig. 3 Variation in stress in a cylindrical shell containing a circular hole孔边处r1r3r=a,=0,=(-con2),=02θθσσθστ。
化工设备机械基础第十二章
（4）特点：
a.结构简单轻便，但会给壳体造成过大的局部应 力，过大时，使壳体凹陷； b.当设备较大或器壁较薄即壳体的计算厚度小于 或等于3mm，或壳体的计算厚度虽然大于3mm， 但小于Di/500时，应在支座与器壁间加一垫板； c.当容器内产生的应力和支座产生的局部应力之 和小于规定的应力强度许用值时，在支座处须加 设垫板，垫板材料与所用设备筒体材料相同。
腿式支座和支承式支座的最大区别：支承式支座是支 承在容器的底封头上，而腿式支座支承在圆柱体部分。
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立式容器支座---裙式支座 目前尚无标准，其设计计算可通过 JB4710-92《钢制塔式容器》或实践经验 确定。
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§12.3 容器的开孔补强
• 开孔补强的设计原则 • 补强结构 • 适用的开孔范围 • 不另行补强的最大开孔直径
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（5）标记方法
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立式容器支座---支承式支座 （1）结构和选型
a.适用范围：一般用于高度不大，且离基础地面或搂 面又较低的立式容器。 b.分类：一般分为两种型式，即由数块钢板焊制的A型 支座和由钢板和钢管焊制的B型支座
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（2）特点
a.结构简单轻便，不需要专门的框架钢梁来支承设 备，可直接把设备载荷传到基础上。 b.比其它型式的支座提供较大的操作安装和维修空 间。
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（3）鞍座的标记：
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（4）鞍座的选用步骤：
a.已知设备总重，计算出作用在每个鞍座上的 载荷Q； b.根据设备的公称直径和支座高度，从标准中 可查出轻型和重型二个允许的负荷值[Q]； c.按照允许负荷等于或大于计算负荷的原则选定 轻型或重型，如果计算负荷Q超过重型鞍座的 允许负荷值[Q]，则须加大腹板厚度重新计算。
化工设备机械基础
化工设备机械基础期末复习题型：1、判断题2、解释题3、填空题4、简答题5、计算题6、论述题一、重要的定理、原理、准则1、力的平行四边形法则或三角形法则：作用于同一点的两个力可以合成为一个合力，合力的大小和方向是以这两个力为邻边的平行四边形的对角线矢量，其作用点不变。
也即：合力等于两分力的矢量和。
圆轴扭转时的强度条件虎克定理：纯弯曲时梁横截面上任一点的正应力与该点到中性轴的距离成正比，距中性轴同一高度上各点的正应力相等。
适用条件：1.材料是均匀的，各向同性的：厚度无突变，材料物理性能相同；2.轴对称——几何轴对称，材料轴对称，载荷轴对称，支撑轴对称；3.连续——几何连续，载荷（支撑）分布连续，材料连续。
4.壳体边界力在壳体曲面的切平面内：无横向剪力和弯距作用，自由支撑等；5. δ/DI ≤0.1 (薄壁容器)压力容器强度设计步骤6-7计算法则与符号规定轴力的计算法则：受轴向外力作用的直杆，其任意截面上的轴力，在数值上等于该截面一侧所有轴向外力的代数和。
背向该截面的外力取正值，指向该截面的外力取负值。
轴力正负号：拉为正压为负剪力的计算法则：任一横截面上的剪力在数值上等于该截面一侧所有横向外力的代数和（取其绝对值）。
弯矩的计算法则：任一截面上的弯矩，等于该截面一侧所有外力对该截面中性轴取矩的代数和。
其中向上的外力，其矩为正；向下的外力，其矩为负。
化工设备材料选择要考虑哪些因素？设备的操作条件——压力、温度、介质特性、操作特点；材料的使用性能——力学性能、物理性能、化学性能；加工工艺性能——焊接性能、热处理性能、冷弯性能及其他冷热加工性能；经济合理性及设备结构——材料价格、制造费用和使用寿命。
碳钢与铸铁钢铁的组成 = 95%以上铁+（0.05 -- 4%）碳+1%杂质——铁碳合金含碳量0.02~2% 为钢；含碳量＞2% 为铸铁；含碳量＜0.02% 为工业纯铁；含碳量＞ 4.3% 无实用价值。
钢号表示法例：优质碳素钢——08F 20 R低合金钢——16MnR 16——含碳量0.16%；M n——合金元素；R ——容器钢。
第十三章开孔补强与设备凸缘
第一节 开孔补强 第二节 设备凸缘
1
第一节 开孔补强
一、开孔应力集中及应力集中系数 二、开孔补强设计 三、等面积补强计算
2
一、开孔应力集中及应力集中系数
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
21
二、开孔补强设计
1.圆筒上开孔的限制
当内径 Di 1500 mm的容器
开孔最大直径
di
Di 2
当内径 Di 1500 mm的容器
开孔最大直径 di 1000
且
di
Di 3
mm
22
二、开孔补强设计的要求
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
7
(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
σθ σγ
r
σ1= pR/ T
θ
σ1
a
σ = p R/ 2T
图3-4 薄壁圆柱开小圆孔的应力集中
孔边处r=a， r
0,
3 2
cos 21,r
0
8
(一)开孔的应力集中
3 a2 r 2 (1 r 2
2.应力集中系数曲线 为了便于设计、对不同直径的和不同厚度的壳，带 有不同直径与接管，按照理论计算得到的应力集 中系数绘制成一组组曲线。应力集中系数曲线图 绘制，根据：
●壳体的直径，壳体厚度； ●接管的直径，接管厚度； ●接管形式的平齐接管，插入接管,的不同而绘制。
开孔补强与设备凸缘
contents
目录
• 开孔补强的基本概念 • 开孔补强的方法 • 设备凸缘的设计与选择 • 开孔补强与设备凸缘的应用场景 • 开孔补强与设备凸缘的未来发展
01
CATALOGUE
开孔补强的基本概念
开孔补强的定义
01
开孔补强是指在压力容器、管道 或其他结构上开孔后，为了满足 结构强度和刚度的要求，对开孔 部位进行的加强措施。
详细描述
组合式补强是同时采用多种补强方法来提高结构的强度和稳定性。这种方法可以根据实际情况选择最 适合的补强方式，并综合考虑各种因素，如开孔大小、位置、材料等因素，以达到最佳的补强效果。
整体式补强
总结词
通过整体结构设计来提高结构强度和稳定性。
详细描述
整体式补强是通过整体结构设计来提高结构的强度和稳定性，而不是仅仅针对开孔部分进行补强。这种方法通常 涉及对整个设备或结构的重新设计，以实现更优化的结构性能。整体式补强适用于对结构要求非常高的场合，如 航空航天、核工业等领域。
泄漏的风险。
制药行业的应用
制药设备的开孔补强
制药行业中使用的设备，如反应器、分离器和蒸馏塔等，通 常需要进行开孔操作。为了确保制药设备在使用过程中的稳 定性和安全性，需要进行适当的开孔补强。
制药工艺管道的凸缘连接
在制药工艺管道系统中，为了确保管道连接的可靠性和稳定 性，常常使用具有凸缘的管件进行连接。凸缘的设计可以提 高管道连接的紧密性，减少药物泄漏的风险。
在某些工艺流程中，需要在设备 上开孔以实现流体输送、安装附 件等目的，开孔后需要进行补强 以保证设备的工艺性能和安全性
。
开孔补强的原理
应力分散
通过增加加强板、设置凸缘等方 式，将原本集中的应力分散到周 围的材料上，降低应力集中程度
开孔补强与设备凸缘
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（三）应力集中对容器安全使用的影响 压力容器的壳体与接口管都是用塑性良好的钢制造的，如果容器内介质压力平稳，应
力集中对容器的安全使用不会有太大影响。因为在局部高应力下的金属可借助出现少 量的塑性变形使应力的增长达到材料屈服限时即告终止。 如果容器内的压力有较大的波动或有周期性的变化，应力集中将可能影响容器的安全 使用。 交变应力引起的破坏称为“疲劳”破坏。应力集中是容器出现疲劳破坏的根源。
可极大地改善应力集中情况。
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补强圈补强：在开孔周围一定范围内（B=2d）采用焊接补强圈的方法，可以减小开孔 附近的应力集中。
整体锻件补强：在一些补强要求高的容器上，把需要局部增厚的壳体部分全部挖掉， 换上真正增厚了的壳体。
补强管补强：增大接管壁厚，即用特意加厚的接管来改善开孔处的应力集中。 （4）在球壳上开孔的应力集中系数稍低，因此在可能的条件下，开孔在封头优于开在壳
❖ 应力集中和开孔形状有关，圆孔的应力集中程度最低。
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（二）容器接管附近的应力集中 研究表明：若被开孔部位的壳体或封头厚度为δ、直径为D、开孔孔径d为时，那么在
接管根部开孔边缘处的应力集中现象将具有如下特点： （1）应力集中的范围是极为有限的。 （2）开孔孔径的相对尺寸d/D越大，应力集中情况越严重，所以开孔不宜过大。 （3）被开孔壳体的δ/D越小，应力集中情况越严重，如果将开孔四周壳体厚度增厚，则
（4）使用补强圈后，在补强圈外缘与壳体的搭接填角焊缝处，易造成新的应力集中，易 开裂。
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（5）由于补强圈没有和壳体或接管金属真正熔合成一个整体，因而抗疲劳性能差，其疲 劳寿命比未开孔时降低30%左右。
开孔及补强PPT资料优秀版
（一）人孔和手孔
◆补强方法和局部补强结构 表示公称压力为0. 压力容器开孔后，仅器壁材料被削弱，同时由于结构连续性被破坏，在孔口边缘应力值显著增加，其最大应力值往往高出正常器壁应 力的数倍，这就是常称的开孔应力集中现象。 补强圈补强 6 HG/T 21529－2005 8（NM-XB350） 250－0. 人孔（A-XB350） 450 HG/T 21515－2005 补强方法有两种：整体补强、局部补强 8（NM-XB350） 250－0. 厚壁接管补强 8为螺栓代号）、Ⅰ类材料和不带内包边的XB350石棉橡胶板垫片的板式平焊法兰手孔。 人孔和手孔的标记示例： 6MPa、公称直径DN为250mm，采用六角头螺栓（b-8. 补强圈补强为了检验焊缝的紧密性，补强圈上设有一个M10的小螺纹孔，从这里通人压缩空气并在补强圈与器壁的连接处涂抹肥皂水。 人孔和手孔的标记示例：
◆开孔补强的原因
压力容器开孔后，仅器壁材料被削弱， 同时由于结构连续性被破坏，在孔口边缘 应力值显著增加，其最大应力值往往高出 正常器壁应力的数倍，这就是常称的开孔 应力集中现象。
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①补强圈补强
在开孔周围贴焊一圈钢板，即补强圈。有单面、双面补强。
补强圈与器壁搭接焊，材料相同，补强圈尺寸参照标准确定， 或用等面积补强法进行计算。
为方便焊接，常用外面单面补强。
为检验补强圈与容器壳体焊接的紧密性，开一M10螺纹检查 孔，通入压缩空气检查。
7
8
补强圈补强的优缺点：
优点：结构简单，制造方便，使用经验成熟，广泛应用于中 低压容器上； 缺点：①补强区域过于分散，补强效率不高； ②补强圈与壳体间存在一层静止的气隙，传热效果
⑤ 理论证明，在球壳上开孔的应力集中系数低于在筒体上 开孔的应力集中系数。同时，球壳的薄膜应力低于圆筒， 这样球壳上开孔产生的应力峰值σmax比圆筒为低。因此， 在可能的条件下，开孔尽量开在封头上。
5
二、补强结构
（一）局部补强
即在开孔周围补强，由 于开孔应力集中的局部 性，在开孔周围进行补 强可以有效地降低应力 集中现象。 有补强圈补强、厚壁管 补强和整锻件补强三种 形式。
ห้องสมุดไป่ตู้
18
§12-2 设备凸缘
一、法兰凸缘
接管长度必须很短时可用凸缘代替(又叫突出接口)。
凸缘本身有加强作用，不需另外补强。
若螺柱折断在螺栓孔中，取出较困难。
B型
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§12-2 设备凸缘
二、管螺纹凸缘
常用于安装测量仪表。
20
思 考 题
1.容器开孔补强的目的是什么？常用的局部补强结 构有哪几种？各有什么特点? 用于什么场合？
12
（二）整体补强
指采用增加整个壳体壁厚的方法来进行补强。 一般用于：
①壳体上开设排孔时；
②凸形封头上开有多个孔。
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三、容器上开孔及补强的有关规定
⑴ 开孔尺寸的限制
⑵ 尽量不要在焊缝上开孔，如果避不开必须在焊缝上
开时，则在以开孔中心为圆心，以1.5倍开孔直径为半径 的圆中所包容的焊缝，必须进行100％的探伤。
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⑶开孔位置限制
椭圆、碟形封头开孔边缘或补强元件边缘与封头边缘投
影距离≥0.1Di。 在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜 垂直于封头表面。
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⑷不需另行补强的最大开孔直径
容器的开孔并不都需要补强：
①计算壁厚考虑了焊缝系数及钢板规格，壳体壁厚超过实 际强度，最大应力值降低，相当于容器已被整体加强。 ②容器开孔总有接管相连，其接管多于实际需要的壁厚也 能起补强作用。另外接管根部的填角焊缝的部分金属也 起到加强作用。 ③容器材料有一定塑性储备，允许承受不是十分过大的局 部应力，所以当孔径不超过一定数值时，可不另行补强。 由于上述原因，壳体上开小孔时可以不另行补强。
因此，为保证容器的安全运行，需要对容器的开孔部位进 行补强——开孔补强。
2
2. 容器接管附近的应力集中现象的特点
容器开孔后，将削弱器壁的强度，同时由于器壁金属的连 续性受到破坏，也会产生类似的应力集中现象。接管附近 应力集中现象的特点： ① 应力集中的范围是极为有限的（局部性）。开孔边缘应 力最高，因此在开孔边缘补强最有效。 ② 开孔孔径的相对尺寸d/D越大，应力集中越严重，所以 开孔不易过大。
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②补强管补强（厚壁管补强） 补强管补强的优点及应用
补强结构简单，焊缝少，焊接质量易检验，克服了补强圈补 强的缺点，补强金属全部集中在峰值应力区，补强效果好。 特别是低合金高强钢对应力集中敏感性强，采用厚壁管补强 效果好。
合成氨生产中的高压设备多采用厚壁管补强。
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③整锻件补强
在开孔处焊上一个特制的锻件，锻件壁厚变化缓和，且有 圆角过渡。 优点：补强金属集中在开孔应力最大处，应力集中系数最 小；整锻件与壳体采用对接焊焊缝，且焊缝及其热影响区 离开峰值应力处，故抗疲劳性能好。 缺点：锻件加工复杂，成本高。只用于重要设备上。
差，容易在补强圈与壳体间引起较大的温差应力。
③补强圈与壳体焊接处刚性变大，易在焊缝处造成裂 纹，特别是高强钢对裂纹的敏感性强，更易开裂。 ④补强圈补强抗疲劳性能差。 所以补强圈补强一般只用于低压、常温、静载下，不用于高 强钢。
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②补强管补强（厚壁管补强）
即在壳体与接管之间焊上一段厚壁加强管，因补强管处于最 大应力区域内，因而能有效地降低开孔周围的应力集中。 有A、B、C、D、E五种形式（表12-2，12-3）。
第十二章 开孔补强与设备凸缘
1
§12-1 开孔补强
一、开孔处的应力集中现象
1.开孔补强的概念
在容器上开孔后由于壳体材料的削弱，同时由于器壁金属 的连续性受到破坏，将在开孔周围产生应力集中现象。应 力集中处的最大应力甚至是薄膜应力的几倍，往往成为容 器的破坏源。
max 应力集中系数： k
3
③ 被开孔壳体的δ/D越小，应力集中越严重，如果将开孔周围 壳体厚度局部增厚，可以大大改善应力集中现象。如采用 局部增加壳体壁厚的办法进行补强。 ①补强圈补强 ②整锻件补强
4
④增大接管厚度也可以减小应 力集中现象，可用特意加厚 的接管来改善开孔处的应力 集中——补强管补强。
③ 补 强 管 补 强
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壳体开孔满足下述全部要求时，可以不另行补强：
①设计压力≯2.5MPa;
②两相邻开孔中心的间距（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≤89mm；
④不补强接管的外径及其最小壁厚应符合下表之规定。
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四、补强计算
采用等面积补强计算，即处于补强有效区内可起补强作用
的金属截面积≥开孔削去的壳体承压所需的金属截面积。
2.容器上开孔都需要补强吗？为什么压力容器壳体
上开孔尺寸较小时可不另行补强？
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