压力容器的开孔与补强
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。
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
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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
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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。
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。
开孔与开孔补强解读
A 0.5dop p
开孔率（开孔直径与平盖直径之比）大于0.5的 平盖，受力与法兰相近，故其开孔补强按法兰或反 向法兰计算。
有效补强范围：
两个方向的补强范围 （1）沿壳体经线方向的补强范围： B 2dop 是依据受均匀拉伸作用的开小孔大平板，孔 边局部应力集中的衰减范围确定的。 （2）沿接管轴线方向的补强范围：h d op nt 是依据圆柱壳在端部均布载荷作用时，柱壳 中局部环向薄膜应力的衰减范围确定的。
2.2分析法适用的范围
2.3不另行补强的最大开孔直径
3.，属于拉伸强度补偿。为保障内压壳体开 孔局部截面的拉伸强度，从补偿角度讲：壳 体由于开孔丧失的拉伸承载截面积应在孔边 有效补强范围内等面积地进行补偿，俗称等 面积补强。
等面积补强法对开孔边缘的二次应力的 安定性问题是通过限制开孔形状、长短径之 比和开孔范围（开孔率）间接加以考虑的， 使孔边的局部应力得到一定的控制。 等面积补强法对开孔边缘的峰值应力问 题未加考虑，为此不适用于疲劳容器的开孔 补强。
2. GB150.3-2011中开孔补强的计算包括等面 积法和分析法。 2.1适用范围：
3.2单个开孔补强的等面积法适用范围：
3.3补强的结构形式 1）补强圈补强
接管壁厚选用，特别是小接管的壁厚选 用常出现不合理的现象。 对于要求接管与壳体的焊接接头采用全 焊透的结构时，接管壁厚应取≥1/2壳体壁厚 或取接管壁厚≥6mm两者的较小值。 对于坡口熔敷金属量大的焊接接头，当 壳体壁厚大于16mm时接管壁厚应大于8mm； 当壳体壁厚较大（壁厚≥ 20mm）时，接管与 壳体的连接焊缝宜采用双面坡口。 对于低温压力容器，与壳体相焊的接管 壁厚应不小于5mm，其中DN≤50的短接管宜 采用锻造的厚壁管或异径管。
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。
压力容器开孔补强分析及各种补强方法的比较
（ ｕｎ ｚｏ ａ ｉ Ｇ ａ ｇｈ ｕＨｕ —Ｌ —ＨｅｇＣ ｅ ｉａ Ｉｄ ｓ ｙＥ ｕ ｍ ｎ Ｃ ． Ｌｄ ，Ｇ ａｇ ｏ ｇＧ ａ ｇｈ ｕ５ ４ Ｃ ｉａ ｎ ｈ ｍ ｃｌ ｎ ｕｔ ｑ ｉ ｅ ｔ ｏ ， ｔ． ｕ ｎ ｄ ｎ ｕ ｎｚｏ ４ ２， ｈｎ ） ｒ ｐ １ １
力集 中系数大于法 向接管开孔 ， 图 ２中的（ ） ｂ 的应 力集 如 ａ 比（ ）
中系 数 大 。
１ 开 孔 附 近 的 应 力 分 析
１ １ 平板 开孔 附近 的应 力 ．
经分析 … ： ①平板 开圆形 孔 ； ②壳体 开孑 ； 平 板开 椭 圆形 Ｌ③
孔； ④无 限大平板开 多个孔 。得 出以下结 论 ： ①开孔 的应 力集 中区域 内的应 力是 属于 局部 应力 ， 衰减很
轴线 ， 否则将 使柱壳强度大大降低 ； 图 １中的 （ ） ａ 好。 如 ｂ 比（ ）
⑤多个开孔 ， 随着 间距 减小 ， 孔边 应力 梯度 也减小 ， 大 其 最 应力逐渐接近与按作用面积计算 的平均应力 ； ⑥无论是球壳或简体 ， 若将开圆孔与椭 圆孔相 比 ， 者应 力 后 集 中系数 比前者大 ， 故当接管的方 向不在壳体 的法线 时 ， 的应 它
的要求 ， 使设备能够进行正常的操作 、 测试 和检修 ， 在壳 体和端盖 上不可避免地有各种 开孔并连接接管 ， 例如 ， 物料进 口、 口， 出 测量
和控制点 （ 压力表 、 测温 口）视镜 、 、 液面计 、 人孔和手孔等 。 开孑 的结果 ， Ｌ 不但会 削弱容器壁 的强 度 ， 且在 开孔附 近会 而 形成应 力集中 ， 峰值 应力通常达到容 器壁 中薄 膜应力 的数倍 ， 其 例如 ３倍 ， 时甚至达到 ５～ 有 ６倍 。这样高的局部应力 ， 加上接管 上有 时还有其他 的外载荷所产生 的应力 ， 温度应 力 ， 以及容 器材 质 和开孔 结构在制造过程 中不可 避免地会 形成制造 缺 陷。残 余 应力 、 是开孔 附近 就往往 成为容 器的破 坏源 一主要 是疲 劳破 于 坏 和脆性 裂 口。因此 ， 开孔补 强设计 是压 力容 器设 计 中较重 要 的组成部分 ， 是保 证容 器安 全操作 的重 要 因素。我 们必 须正 确 分析 开孔 附近的应力集 中， 并采取适 当的补强方法 。
2020年压力容器的开孔与补强
（情绪管理）压力容器的开孔和补强第13章压力容器的开孔和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。
第壹节容器开孔附近的应力集中1、关联概念（1）容器开孔应力集中（Openingandstressconcentration）于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且安装接管，例如：人孔、手孔、进料和出料口等等。
容器开孔接管后于应力分布和强度方面会带来下列影响：◆开孔破坏了原有的应力分布且引起应力集中。
◆接管处容器壳体和接管形成结构不连续应力。
◆壳体和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（stressconcentrationfactor）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：（1）压力容器设计中对于开孔问题研究的俩大方向是：✧研究开孔应力集中程度，估算K t值；✧于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.1Variationinstressinaplatecontainingacircularholeandsubjectedtouniformtension 设有壹个尺寸很大的巨型薄平板，开有壹个圆孔，其小圆孔的应力集中问题能够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，只要板宽于孔径的5倍之上，孔附近的应力分量为：（2）平板开孔的最大应力于孔边处，孔边沿处：应力集中系数：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.2Variationinstressinasphereshellcontainingacircularhole孔边处r=a，,应力集中系数4、薄壁圆柱开小圆孔的应力集中如图3所示，薄壁柱壳俩向薄膜应力，，如果开有小圆孔，则孔边附近任意点的受力为：（3）Fig.3Variationinstressinacylindricalshellcontainingacircularhole孔边处。
开孔与开孔补强.
3.4多个开孔的等面积法
当任意两个相邻开孔的中心距小于两孔 直径之和，而使其补强范围彼此重叠时，在 通过两孔中心点连线的壳体法截面内采用联 合补强。
4.圆筒径向接管开孔补强设计的分析法 适用范围
谢谢大家
3.2单个开孔补强的等面积法适用范围：
3.3补强的结构形式 1）补强圈补强
接管壁厚选用，特别是小接管的壁厚选 用常出现不合理的现象。 对于要求接管与壳体的焊接接头采用全 焊透的结构时，接管壁厚应取≥1/2壳体壁厚 或取接管壁厚≥6mm两者的较小值。 对于坡口熔敷金属量大的焊接接头，当 壳体壁厚大于16mm时接管壁厚应大于8mm； 当壳体壁厚较大（壁厚≥ 20mm）时，接管与 壳体的连接焊缝宜采用双面坡口。 对于低温压力容器，与壳体相焊的接管 壁厚应不小于5mm，其中DN≤50的短接管宜 采用锻造的厚壁管或异径管。
b.弯曲应力 容器开孔以后，一般总需设置接管或人 孔等，即有另一个壳体与之相贯，相贯的两 个壳体在压力载荷作用下，各自产生的径向 膨胀（直径增大）通常是一致的。为使两部 件在连接点上变形相协调，则必然产生一组 自平衡的边界内力。这些边界内力在壳体的 开口边缘及接管端部主要引起局部的弯曲应 力，属于二次应力。
A 0.5dop p
开孔率（开孔直径与平盖直径之比）大于0.5的 平盖，受力与法兰相近，故其开孔补强按法兰或反 向法兰计算。
有效补强范围：
两个方向的补强范围 （1）沿壳体经线方向的补强范围： B 2dop 是依据受均匀拉伸作用的开小孔大平板，孔 边局部应力集中的衰减范围确定的。 （2）沿接管轴线方向的补强范围：h d op nt 是依据圆柱壳在端部均布载荷作用时，柱壳 中局部环向薄膜应力的衰减范围确定的。
等面积补强法对开孔边缘的二次应力的 安定性问题是通过限制开孔形状、长短径之 比和开孔范围（开孔率）间接加以考虑的， 使孔边的局部应力得到一定的控制。 等面积补强法对开孔边缘的峰值应力问 题未加考虑，为此不适用于疲劳容器的开孔 补强。
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。
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
压力容器设计开孔及补强设计
（一）开孔应力集中 最大应力在孔边，是应力集中最严重的地方。 孔边应力集中有局部性，衰减较快。
（二）开孔并带有接管时的应力集中
（三）应力集中系数的计算
rm Rm rm
Rm T
RmT
二、开孔补强设计的要求
第三章 压力容器的整体设计问题
（一）允许不另行补强的最大开孔直径
第三章 压力容器的整体设计问题
补强区宽度 B=2d B=d+2Tn+2tn
补强区外侧高度
两者中取大值
h1 dtn h1=接管实际外伸长度 补强区内侧高度
两者中取小值
h2 dtn
两者中取小值
h2=接管实际内伸长度
注意：
第三章 压力容器的整体设计问题
补强材料一般需与壳体材料相同，若补强 材料许用应力小于壳体材料许用应力，则补 强面积应按壳体材料与补强材料许用应力之 比而增加。若补强材料许用应力大于壳体材 料许用应力，则所需补强面积不得减少。
（四）补强圈和焊接的基本要求
第三章 压力容器的整体设计问题
M检1查0的孔螺纹孔
补强圈与接管及与壳体的焊接是填角焊及搭焊，视 容器操作条件及设计要求决定是否全焊透。焊缝的成形 应圆滑过渡或打磨至圆滑过渡。
（五）开孔补强的设计准则
第三章 压力容器的整体设计问题
开孔补强设计： 指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将 应力集中系数减小到某一允许数值。
补强圈补强
局部补强12..高补强强度圈钢的（厚厚σ度b壁＞超5过4接0被M管补Pa强）补件和壁强铬厚钼的钢1制.5造倍的或容超器过；tmax
（碳钢tmax＝32mm；16MnR tmax＝30mm）；
3.设计压力大整于锻等于件4M补Pa；强
浅谈压力容器的开孔补强设计
…
罐 年月 ６ 黼
Ｃ ｈ 中 ｉ ｎ ａ 国 Ｃ 化工贸 ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ Ｔ 易 ｒ ａ ｄ ｅ
浅 谈压 力 容器 的开 孔 补 强设 计
李１ 溢 Ｄ Ｊ － 亚 Ｉ
（ 北 京石 油化 工工程 有限公 司西 安分公 司 。陕西西 安 ７１ ０ ０ ７ ５）
提 出其适 用范 围为 ：１ Ｏ ≤ （ Ｄ ｉ ＋ ２ Ｔ ）Ｉ Ｔ≤５ ０ ０ ，且 ｄ ｉ ／（ Ｄｉ ＋ ２ Ｔ ） ≤０ ． ８ 。 而在 Ｂ ９的附 录 中又 指 出 ，对 于具 有 大开 孔 的薄 壁壳 体 ，按 压 力面 积 的 设计 只能满 足静 载荷 设计 要求 ，不能 满 足安 定性 要求 ；而按 Ｂ篇 设 计 的容器 应 当满 足安 定性 要求 ，即在 设计 寿命 内 ，允许 全幅 度 的压 力 循环 不超过 １ ０ ０ ０ 次 。但该 附录 并未给 出按压 力面 积法设 计不满 足安 定 性要 求 的容器 开孔 率 与壁厚 比之定 量数 值 。这 是 因为压 力面 积 法无 法
此 外 ，笔 者还 想补充 一种 不另行 补强 的情况 ： 当设备 壳体 有 效厚 度 大于 等于 其 计算 厚 度的 ２倍 时 ，壳 体开 孔 补 强 也是 可 以免 除计 算 的。此 种 方案 的 提 出是 用等 面积 补强 法 来推 导 出 来 的 ，大 多 出现 在操 作 条 件不 苛 刻的 换热 器 设计 当 中 ，此 时 为 了保证 设 备 的刚性 对壳 体 的最 小厚 度 进行 了 要求 ，而 此 最小 厚度 有 时会 大于 壳体 的 计算厚 度一 倍甚 至更 多。
重要 内容 。
具 体对 压力容 器 的开孔 补强 设计方 案主要 包括 以下 四种 ：
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。
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。
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。
压力容器的开孔与补强
压力容器的开孔与补强本章重点内容及对学生的要求：回转壳体上开小孔造成的应力集中；开孔补强的原则、补强结构和补强运算；不另行补强的要求；GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。
第一节 容器开孔邻近的应力集中1、 有关概念（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阻碍：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，开孔后按弹性方法运算出的最大应力为σmax ，则弹性应力集中系数为： σσmax =t K （1） 压力容器设计中关于开孔咨询题研究的两大方向是：研究开孔应力集中程度，估算Kt 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 su bjected to uniform tension设有一个尺寸专门大的巨型薄平板，开有一个圆孔，其小圆孔的应力集中咨询题能够利用弹性力学的方法进行求解。
承担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，孔邻近的应力重量为： ⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θστθσσσθσσσθθ2sin 32122cos 312122cos 34121242224222422222r a r a r a r a r a ra 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，球壳受双向平均拉伸应力作用时，孔边邻近任意点的受力为：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，则孔边邻近任意点的受力为： ⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=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 h ole孔边处r 1r 3r=a,=0,=(-con2),=02θθσσθστ。
压力容器设计开孔和开孔补强设计
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
上述因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从 而也降低了开孔处的最大应力。因此，对于满足一定条件的 开孔接管，可以不予补强。
B=2d B=d+2δn+2δnt
（4-79）
式中 B—补强有效宽度，mm； δn—壳体开孔处的名义厚度，mm； δnt—接管名义厚度，mm。
浙江大学承压设备研究室20
4.3.5 开孔和开孔补强设计
内外侧有效高度： 按式（4-80）和式（4-81）计算，分别取式中较小值
外侧高度
h1 dnt
h1=接管实际外伸高度
应用：
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。
浙图江4大-3学7承（压b设）备研究室10
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）
浙江大学承压设备研究室11
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：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。
浙江大学承压设备研究室14
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。
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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。
但是在孔边=2πθ±处θσ最大，孔边处径向截面处的应力集中系数K t ＝2.5。
而在另一个截面，即轴向截面的孔边r=a,π处的最大应力1=0.5θσσ，此处应力系数K t ＝0.5，比径向截面的应力集中系数小得多。
其他情况，例如开椭圆孔以及排孔等情况详见国标规定。
针对开孔部位的壳体或者封头壁厚为δ，直径为D ，开孔的孔径为d 时，在接管根部开孔边缘处的应力集中现象呈现如下的特点：最大应力在孔边，是应力集中最严重的地方； 应力集中具有局部性，其范围也是极为有限的；应力集中的情况和开孔的孔径与直径的相对尺寸d/D 成正比，开孔不宜过大； 应力集中和D /δ成反比；所以增大开孔四周壳体的壁厚，则可以极大改善应力集中的情况，因此在开孔周围一定的范围内，采用焊接补强圈的方法。
球壳上开孔的应力集中系数稍低于通体上开孔的应力集中系数；因此在可能的情况下，在封头上开孔，优于在壳体上开孔。
5、应力集中对容器安全的影响接管和壳体均为具有良好塑性的材料制成，如果容器内介质压力平稳，对容器的安全使用不会有太大的影响；如果容器内有较大的压力波动，则应力集中区的金属在交变的高应力作用下会出现反复的塑性变形，导致材料硬化，并产生疲劳破坏。
应力集中是产生疲劳破坏的根源。
6、开孔并带有接管时的应力集中系数以上讨论的是仅在壳体上开孔，但是在实际中通常是还在开孔处有接管，开孔处因为接管与壳体在内压作用下发生变形协调而导致不连续应力出现。
例如球壳与圆管的连接如下图所示。
因此接管对开孔边缘处的应力集中影响也需要考虑。
Fig. 4 Deformation and internal forces in the opening of sphere shell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。
第二节 容器的开孔补强开孔部分的应力集中将引起壳体局部的强度削弱，若开孔很小并有接管，且接管又能使强度的削弱得以补偿，则不需另行补强。
若开孔较大，就要采取适当的补强措施。
一般容器只要通过补强将应力集中系数降低到一定的范围即可。
按“疲劳设计”的容器必须严格限制开孔接管部位的最大应力。
经过补强后的接管区可以使应力集中系数降低，但不能消除应力集中。
1、开孔补强的基本原则当在容器开孔后，由于各种强度富余量的存在，开孔并非都要补强。
而在孔周围不需要进行补强的规定，称为开孔补强设计的基本原则。
（1）允许不补强开孔的原因●应力集中的局部性原因，根据应力集中的局部性特征，开孔附近的峰值应力，不会产生壳体的整体屈服；●当应力集中系数小于时，开孔附近除疲劳断裂外，不产生一般的强度破坏；●容器有效壁厚，是在计算壁厚值加上壁厚附加量，按商品钢板系列的圆整值。
一般大于强度值的要求，从整体上得到了加强。
●在壁厚计算公式中，焊缝系数一般小于1， 在规定中，明确指出，开孔不允许在焊缝影响区内，则认为开孔区的强度承载能力高于焊缝区。
（2）允许不另行补强的最大开孔直径 a.不另行补强的最大孔径为 δm m D d 14.0≤b.当两孔中心之间的间距大与两孔直径之和的两倍时，则每一孔均可视为单个开孔。
2、开孔补强形式（1）内加强平齐接管： 将补强金属加在接管或壳体的内侧。
（2（4）密集补强形式：补强金属集中在接管与壳体的连接处 （c）凸出接管对称加强以上四类补强形式，从补强的效果，即补强所附加金属起到的实际作用，实践证明了密集补强效果最好。
对称凸出接管列第二，外加强最差。
3、补强结构（1）贴板补强结构贴板补强结构是在开孔周围贴焊一个补强圈，补强圈的材料和厚度一般与壳体相同。
（a ）需要保证补强圈与壳体全面贴合； (b)需要保证焊缝的全焊透结构；(c) 在补强圈上开有M10的通孔，以充气检验其焊透性； （d ）常用场合：中低压容器。
ab （2）接管补强结构：即在开孔处焊接一段加厚的接管，加厚接管处于最大应力区，故能有效的降低应力集中系数。
（a ）优点：结构简单，焊缝小，容易对焊缝质量进行检验 (b)缺点：焊缝处在最大应力区内；(c)当用于重要设备时，应保证焊缝的全焊透性。
焊缝磨平，进行无损探伤。
（d ）常用场合：低合金钢容器或某些高压容器。
（3）整锻件补强结构： 将接管于壳体连同加强部分做成一整体锻件。
（a ）优点：补强金属集中于开孔应力最大部位，应力集中系数最小。
焊缝及热影响区离开最大应力点位置，抗疲劳性能优越。
(b)缺点：锻件供应困难，制造烦琐，成本较高。
（c ）常用场合：只用于重要的设备，如高压容器，核容器等。
接管补强4、开孔补强的设计准则（1）等面积补强准则该方法认为在有效的补强范围内，壳体处本身承受内压所需截面积外的多余截面积A不少于开孔所减少的有效截面积A0。
等面积补强法是世界各国延用已久的一种经验设计方法。
◆开孔削弱的截面积，指沿壳体纵向截面上的开孔投影面积。
式中：d为开孔直径或接管内径加上壁后附加量C后的直径。
T为壳体按内压或外压计算所需的计算厚度。
Fr为材料强度削弱系数，即设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比，fr<1.0◆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。
◆补强区内补强金属面积A(a)容器壳体设计厚度之外的多余金属截面积：A1筒体或封头，承受内压或外压所需的厚度和壁厚附加量之外剩余的金属面积。
A1＝（B-d）[(S-C)-So]，C—壁厚附加量式中Tn，tn分别为壳体及接管的名义厚度T为容器壳体的计算厚度C为接管的壁厚附加量fr为材料的强度削弱系数（b）接管所需计算厚度之外的多余金属截面积：A2 接管承受内压或外压所需厚度和壁厚附加量两者之外多余的金属面积。
A2＝2h1(St-Sto-C)+2h2(St-C1-C2)式中：t－为接管按内压或外压计算所需的计算厚度；C2－为接管的腐蚀附加量。
（c）在有效补强区内焊缝金属的截面积。
（d）在有效补强区内另加的补强元件的截面积。
若A1+A2+A3≥A，开孔不需要补强A1+A2+A3 <A，开孔需要补强则A4≥A-(A1+A2+A3)A4—补强金属截面积。
（2）极限分析补强设计准则由于开孔只造成壳体的局部强度削弱，如果在某一压力载荷下容器开孔处的某一区域其整个截面进入塑性状态，以至发生塑性流动，此时的载荷便为极限载荷。
利用塑性力学方法对带有整体补强的开孔补强结构求解出塑性失效的极限载荷。
以极限载荷为依据来进行补强结构设计，即以大量的计算可以定出补强结构的尺寸要求，使其具有相同的应力集中系数。
（3）开孔补强的其他问题以上是壳体上单个开孔的等面积补强方法，工程上有时还会碰到并联开孔的情况，如果各相邻孔之间的空心距离小于两孔平均直径的两倍，则这些相邻孔可以不再以单孔计算，而应作并联孔处理。
另外还有开排孔、平板盖开孔的情况，其补强设计方法可按照压力容器标准中第六章的相应规定进行。