第五章 容器零部件设计(3)
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2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
2）塑性失效补强原则 基本点：开孔容器在接管处达到全域塑性时的极限压力应等 于无孔壳体的屈服压力；同时，按弹性计算的最大应力应不超 过2σs，即
max 2 s
代入上式，得 max 3.0
表明，如果将薄膜应力控制在许用应力以下，应力集中区的最 大应力集中系数可以允许达到3.0。 这种补强方法只允许采用整体锻件补强结构。
第六章 容器零部件
6.1 法兰联接
6.2 容器的开孔补强
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
6.2.1开孔应力集中现象及原因 一、开孔应力集中现象 1、应力集中：容器开孔后，在孔边缘附近的局部地区，由 于结构的不连续引起的局部的应力增长现象，叫做应力集中。 2、应力集中系数：
q
离开越远， σ越小，逐渐趋于0。
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6.2 容器的开孔补强
2、平板开孔的应力集中
（1）平板开小孔，单向拉伸q， K = 3q/q = 3； （2）平板开小孔，两向拉伸：q1、q2，在开孔附近的应力可 用叠加法 m-m截面上最大切向应力：3q1 - q2 n-n截面上最大切向应力：3q2 - q1 若q1 = q2 = q，K = 2。
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6.2 容器的开孔补强
6.2.2开孔补强设计的原则与补强结构
弹性失效设计准则—等面积补强法 1、开孔补强设计准则
塑性失效准则—极限分析法
1） 等面积补强准则
等面积补强准则：局部补强的金属截面积必须等于或大 于开孔所减去的壳体截面积。 等面积补强准则主要用于补强圈结构的补强计算。 注：局限性、适用范围（P180）
厚壁接管补强 整体锻件补强
6.2 容器的开孔补强 1. 补强圈补强
结构：在开孔周围一定范围内紧靠接管贴焊一块补强圈。 优点：结构简单，制造方便，使用经验丰富 缺点：1）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，存在较大热膨胀差， 在补强局部区域产生较大的热应 力； 2）与壳体采用搭接连接，难 以与壳体形成整体，抗疲劳性能 差。
和的两倍；
3）接管公称外径≤89mm； 4）接管最小壁厚应满足最小厚度要求（表6－19）。
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6.2 容器的开孔补强
二、壳体上开小孔的应力集中 忽略壳体曲率的影响，近似视为平板 1、球壳上开圆孔 相当于平板开圆孔两向受力
max 3 m 3 2
最大基本应力： K=2
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6.2 容器的开孔补强
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而 s 1.5
6.2 容器的开孔补强
2、补强形式 1）内加强平齐接管 2）外加强平齐接管 3）对称加强凸出接管 4）密集补强
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6.2 容器的开孔补强
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6.2 容器的开孔补强
3、补强结构
补强圈补强 局部补强 补强结构 整体补强
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6.2 容器的开孔补强
二、平板开小孔的应力集中 1、平板开孔的应力分析 条件：矩形薄板，在离开边缘较远处有半径为a的小圆孔，在某 一方向受均匀拉力，强度为q。 问题：研究小孔附近任意指定点的受力情况 受力特点：
由弹性力学计算可知，孔边缘只有切向应力
q(1 2cos2 )
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6.2 容器的开孔补强
3）整体补强结构 ：（图f，g） 增加壳体的 厚度，或用全焊透 的结构型式将厚壁 接管或整体补强锻 件与壳体相焊。
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6.2 容器的开孔补强
4、允许不另行补强的条件（P181） 壳体开孔满足下列全部条件要求时，可不另行补强 1）设计压力≤2.5Mpa； 2）两相邻开孔中心的间距应不小于两孔直径之
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6.2 容器的开孔补强
整体锻件
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6.2 容器的开孔补强
补强结构 1）补强圈补强结构 ：图a 优点：制造方便、 造价低 ，使用经验 成熟，常用于中、低 压容器。 缺点：会有应力集 中，温差应力，抗疲 劳能力差
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6.2 容器的开孔补强
2）补强元件 补强（图b~e） 将接管或 壳体开孔附近 需要加强的部 分，做成加强 元件，然后再 与接管和壳体 焊在引起。
应力峰值：在应力集中区域的最大应力值，称为应力峰值。
应力集中系数：应力峰值与构件中最大基本应力的比值。
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6.2 容器的开孔补强
3、产生原因 1）开孔削弱了器壁材料，破坏了原有应力分布并引起应力 集中； 2）壳体与接管连接处形成结构不连续应力；（P178） 3）壳体与接管的拐角处因不等截面过渡面引起应力集中。 这样导致的应力集中是原有基本应力的数倍，加上其它载 荷作用，开孔接管结构在制造过程中又不可避免产生缺陷和残 余应力，使开孔和接管的根部成为压力容器出疲劳破坏和脆性 裂口的薄弱部位，因此需要采取一定的补强措施。
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6.2 容器的开孔补强
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6.2 容器的开孔补强 3. 整体锻件补强
结构：把需要局部增厚的壳体部分全部挖掉，焊上接管 和部分壳体连同补强部分做成整体的锻件。 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，如高压容器，核容器等
（1）开孔附近的应力集中具有局限性，其应力衰减得很 快，孔边缘最高，所以在孔边缘补强最有效； （2）球壳开孔的应力集中系数小于圆筒开孔的应力集中 系数。若筒体封头为球形，尽量在封头开孔； （3）筒体开圆孔，孔边缘经向截面上的应力集中比横向 截面的应力集中严重； （4）筒体上开椭圆孔，长轴垂直于筒体轴线，K = 1.5； 长轴平行于筒体轴线，K = 4.5。
2、圆筒体上开圆孔 相当于平板开圆孔两向受力
3 Leabharlann Baidu m 3 2.5
1 2
3 m 1.5 0.5
最大基本应力： K = 2.5
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6.2 容器的开孔补强
三、壳体开孔处应力集中的特点：
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σ
σθ
σθ
r
θ σθ σ
max=3σ
σγ
σ
a
应力集中和开孔形状有关，圆孔的应力集中程度最 低，因此壳体开孔常为圆孔。
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6.2 容器的开孔补强
（1）在圆孔边缘垂直于拉伸方向的m-m截面上，切向应力
3q
离圆孔越远，σ越小，逐渐趋于q；
（2）在平行于拉伸方向的n-n截面上，切向应力
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使用场合：中低压容器
6.2 容器的开孔补强
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2. 厚壁接管补强
结构：在开孔处焊上一段厚壁接管 特点：补强处于最大应力区域，能更有效地降低应力
集中系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容
易检验，补强效果较好。 常用场合：低合金钢容器或某些高压容器
6.2 容器的开孔补强
2）塑性失效补强原则 基本点：开孔容器在接管处达到全域塑性时的极限压力应等 于无孔壳体的屈服压力；同时，按弹性计算的最大应力应不超 过2σs，即
max 2 s
代入上式，得 max 3.0
表明，如果将薄膜应力控制在许用应力以下，应力集中区的最 大应力集中系数可以允许达到3.0。 这种补强方法只允许采用整体锻件补强结构。
第六章 容器零部件
6.1 法兰联接
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6.2.1开孔应力集中现象及原因 一、开孔应力集中现象 1、应力集中：容器开孔后，在孔边缘附近的局部地区，由 于结构的不连续引起的局部的应力增长现象，叫做应力集中。 2、应力集中系数：
q
离开越远， σ越小，逐渐趋于0。
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2、平板开孔的应力集中
（1）平板开小孔，单向拉伸q， K = 3q/q = 3； （2）平板开小孔，两向拉伸：q1、q2，在开孔附近的应力可 用叠加法 m-m截面上最大切向应力：3q1 - q2 n-n截面上最大切向应力：3q2 - q1 若q1 = q2 = q，K = 2。
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6.2.2开孔补强设计的原则与补强结构
弹性失效设计准则—等面积补强法 1、开孔补强设计准则
塑性失效准则—极限分析法
1） 等面积补强准则
等面积补强准则：局部补强的金属截面积必须等于或大 于开孔所减去的壳体截面积。 等面积补强准则主要用于补强圈结构的补强计算。 注：局限性、适用范围（P180）
厚壁接管补强 整体锻件补强
6.2 容器的开孔补强 1. 补强圈补强
结构：在开孔周围一定范围内紧靠接管贴焊一块补强圈。 优点：结构简单，制造方便，使用经验丰富 缺点：1）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，存在较大热膨胀差， 在补强局部区域产生较大的热应 力； 2）与壳体采用搭接连接，难 以与壳体形成整体，抗疲劳性能 差。
和的两倍；
3）接管公称外径≤89mm； 4）接管最小壁厚应满足最小厚度要求（表6－19）。
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二、壳体上开小孔的应力集中 忽略壳体曲率的影响，近似视为平板 1、球壳上开圆孔 相当于平板开圆孔两向受力
max 3 m 3 2
最大基本应力： K=2
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而 s 1.5
6.2 容器的开孔补强
2、补强形式 1）内加强平齐接管 2）外加强平齐接管 3）对称加强凸出接管 4）密集补强
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3、补强结构
补强圈补强 局部补强 补强结构 整体补强
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二、平板开小孔的应力集中 1、平板开孔的应力分析 条件：矩形薄板，在离开边缘较远处有半径为a的小圆孔，在某 一方向受均匀拉力，强度为q。 问题：研究小孔附近任意指定点的受力情况 受力特点：
由弹性力学计算可知，孔边缘只有切向应力
q(1 2cos2 )
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6.2 容器的开孔补强
3）整体补强结构 ：（图f，g） 增加壳体的 厚度，或用全焊透 的结构型式将厚壁 接管或整体补强锻 件与壳体相焊。
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6.2 容器的开孔补强
4、允许不另行补强的条件（P181） 壳体开孔满足下列全部条件要求时，可不另行补强 1）设计压力≤2.5Mpa； 2）两相邻开孔中心的间距应不小于两孔直径之
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6.2 容器的开孔补强
整体锻件
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6.2 容器的开孔补强
补强结构 1）补强圈补强结构 ：图a 优点：制造方便、 造价低 ，使用经验 成熟，常用于中、低 压容器。 缺点：会有应力集 中，温差应力，抗疲 劳能力差
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6.2 容器的开孔补强
2）补强元件 补强（图b~e） 将接管或 壳体开孔附近 需要加强的部 分，做成加强 元件，然后再 与接管和壳体 焊在引起。
应力峰值：在应力集中区域的最大应力值，称为应力峰值。
应力集中系数：应力峰值与构件中最大基本应力的比值。
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6.2 容器的开孔补强
3、产生原因 1）开孔削弱了器壁材料，破坏了原有应力分布并引起应力 集中； 2）壳体与接管连接处形成结构不连续应力；（P178） 3）壳体与接管的拐角处因不等截面过渡面引起应力集中。 这样导致的应力集中是原有基本应力的数倍，加上其它载 荷作用，开孔接管结构在制造过程中又不可避免产生缺陷和残 余应力，使开孔和接管的根部成为压力容器出疲劳破坏和脆性 裂口的薄弱部位，因此需要采取一定的补强措施。
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6.2 容器的开孔补强
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6.2 容器的开孔补强 3. 整体锻件补强
结构：把需要局部增厚的壳体部分全部挖掉，焊上接管 和部分壳体连同补强部分做成整体的锻件。 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，如高压容器，核容器等
（1）开孔附近的应力集中具有局限性，其应力衰减得很 快，孔边缘最高，所以在孔边缘补强最有效； （2）球壳开孔的应力集中系数小于圆筒开孔的应力集中 系数。若筒体封头为球形，尽量在封头开孔； （3）筒体开圆孔，孔边缘经向截面上的应力集中比横向 截面的应力集中严重； （4）筒体上开椭圆孔，长轴垂直于筒体轴线，K = 1.5； 长轴平行于筒体轴线，K = 4.5。
2、圆筒体上开圆孔 相当于平板开圆孔两向受力
3 Leabharlann Baidu m 3 2.5
1 2
3 m 1.5 0.5
最大基本应力： K = 2.5
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6.2 容器的开孔补强
三、壳体开孔处应力集中的特点：
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6.2 容器的开孔补强
σ
σθ
σθ
r
θ σθ σ
max=3σ
σγ
σ
a
应力集中和开孔形状有关，圆孔的应力集中程度最 低，因此壳体开孔常为圆孔。
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
（1）在圆孔边缘垂直于拉伸方向的m-m截面上，切向应力
3q
离圆孔越远，σ越小，逐渐趋于q；
（2）在平行于拉伸方向的n-n截面上，切向应力
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使用场合：中低压容器
6.2 容器的开孔补强
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6.2 容器的开孔补强
2. 厚壁接管补强
结构：在开孔处焊上一段厚壁接管 特点：补强处于最大应力区域，能更有效地降低应力
集中系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容
易检验，补强效果较好。 常用场合：低合金钢容器或某些高压容器