压力容器圆筒开孔补强计算方法研究.docx

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容器的开孔补强

环保设备
容器的开孔补强
一、开孔应力集中现象及其原因
由于各种工艺、结构、操作、维护检修等方面的要求，需要在压力容器上和封头上开孔或安装接管。例如人孔、手孔、介质的出入口等。容器开孔之后，由于器壁金属的连续性受到破坏，在孔边附近的局部地区，应力会急剧增加。这种局部的应力增长现象，称为“应力集中”。在应
力集中区城的最大应力值，称之为“应力峰值”。
容器的开孔补强
二、开孔补强设计Hale Waihona Puke 原则与补强结构1．补强设计原则
(1)等面积补强法的设计原则 (2)塑性失效补强原则
2．补强形式
目前采用的补强形式主要有：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
3．补强结构
(1)补强圈补强结构 (2)加强元件补强结构
(3)整体补强结构
4．等面积补强法的设计
(1)开孔有效补强范围的计算 (2)补强面积的计算
容器的开孔补强
环保设备

压力容器设计开孔补强共4页word资料

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。

圆形筒体周向斜接管开孔补强

圆形筒体周向斜接管开孔补强第26卷第6期化工机械3271一圆形简体周向斜接管开孔补强赵双喜(三门峡化工机械厂)摘要介绍了压力容器设计中圆形筒体周向斜接管开孔补强的计算方法,通过两种计算方法的比较,得出了合理的开孔补强方法.关键词周向斜接管开孔补强金属面积符号说明A——开孔削弱面积,唧;t——壳体金属多余面积.珊;—一接管内直径,mm;I——壁厚中间处开孔弦长.mm,d】=2[1一c(口/2)]m;卜校正系数.用于补偿在容器轴线不同平面上压力应力变化,除圆1岢形与锥形壳体上的整体补强外,对各种形状均取F=l;——开孔中心与简体中心距离,眦n;t——接管周围简体补强区实际宽度.mm;——壳体内半径,mm;一壳体平均半径,mm;接管内半径,mm;I——壳体名义厚度.mm:I一接管名义厚度,mm;—一壳体计算厚度,miI——接管计算厚度,m";口=口2一口】,();口】=a[(L+R)/R],(.);口2=ar∞(L—R)/R],(.);—一计算平面与壳体轴线的夹角,(.).在压力容器设计中,为了满足操作工艺要求,通常需要在壳体周向设置斜接管,如何补强这些接管的开孔,在标准Gmso(钢制压力容器》中未作介绍,在标准HGJ16{钢制化工容器强度计算规定》中介绍了切向接管开孔补强计算方法,这种方法与《As^lE美国锅炉及压力容器规范Ⅷ.1》中介绍的周向斜接管开孔补强计算方法有较大的差异,本文将讨论圆形筒体周向斜接管开孔补强计坚平面圃气;简,裳,算方法,为了叙述简便,假设接管与壳体采用全焊透结构,厚度附加量C=0,壳体与接管材料相同,即=1.1ASME标准中的计算方法在ASMEⅧ.1标准的UG篇.U037壳体及成型封头上开孔要求的补强,附录L规范公式,规则应用举例中L7开L和补强中例7,详细介绍了周向斜接管(图1)开孔补强方法,其开孔削弱面积和壳体金属多余面积分别按下式计算:A=F+2tF(1一^)=出FA1=d(f—Ft)一2t(Ft)(1一t)=d(￡一凡)或=2(f+￡)(f—Ft)一2t(f—Ft)(1一^)=2(+￡)(一Ft,)AI取较大值,一般AI:d(一Ft)为大值.图1圆形筒体周向斜接管在图1所示垂直于壳体轴线的平面上0=赵双喜,男,1963年9月生,工程师,研究所所长.河南省三门峡市,47211(10. &,卜328化工机械1999拄90.,按图2查得F=0.5,用d.代替d,则:A=0.5dIA1=dl(c一0.5t)因t由圆整所得,即t≥t,则一0.5t≥0.5￡.At=dl(1—0.5t)≥0.5dll=1即开孔不需补强.t)图2F与0的关系图上述结论可进一步分析为,壳体的计算厚度t是由周向应力(图3)确定.如按轴向应力则计算厚度为0…5t在图1所示的计算平面中(即0=90.),可认为只有轴向应力,在有效补强范围内壳体的名义厚度≥壳体在此平面上的计算厚度0.5t的两倍,即壳体自身的金属多余面积≥开孔削弱面积,开孔不需补强.在平行于壳体轴线0=0o,F=1.0平面上:A=dtF=dtAl=d(一Ft)=d(t—E)躅3应力分布一般￡略大于t,则AI<A,即在0=oo的平面上开孔需要补强.这说明,圆形简体周向斜接管的开孔,其垂直于壳体轴线的平面无需补强,而在平行于壳体轴线的平面则需要补强,其补强方法是:如采用补强圈补强,在0=9o.的平面将修正系数F从0.5变为1.0重新计算;比较好的方法是采用厚壁管补强,只要0=0o的平面上有效补强面积≥开孔削弱面积,所有平面的开孔朴强都足够.2H16标准中的计算方法在HGJ16标准第3章圆筒体周向斜管开孔补强计算中,详细介绍了钢制圆筒体周向斜接管的开孔补强,包括适用范围及参数计算等,其补强条件中的开孔削弱面积和壳体金属多余面积分别按下式计算,只计算0=90~的平面.A=0.5dt+f(1一^)=0.5drAI=Ll(t一)+(一f)=(Ll+)(E—t)一般略大于则Al<A,即开孔需要补强.3HG小6与E疆.1的比较两种标准的计算结果如表1所示.表1不同平面的A,AI比较从表中可以看出,在0=90.的平面中,当采用整体补强(F=0.5)时,该平面根本不需补强,即始终AI≥A.当采用补强圈补强时,因dl>d,按ASMEⅧ一1计算的A大于按HGJ计算的A的第26卷第6期化工机械329两倍.在0=0o的平面上,ASMEⅧ.1的计算方法和径向开孔方法相同.4结论4.1周向斜接管开孔补强应尽量采用整体补强,可按ASMEⅧ.1UC,-37和附录1进行计算,只要0=0o平面上的开孔补强满足要求,其他平面均可满足要求.4.2当必须采用补强圈补强时,按A蛐皿Ⅷ.1中UG-37和附录L计算比较保守,按HGJ16第3章进行计算时,0=90"的平面开孔补强满足要求,0=if,的平面有可能不能满足要求.4.3建议在计算周向斜接管开孔补强,当采用补强罔补强时,除按Hql6第3章计算外,还应在0=0o的平面上按GBl50第8章再计算一次.只有两个平面开孔补强均满足要求才台格.4.4文中只是把开L削弱面积A与壳体金属多余面积At进行比较,在具体设计计算中,还要考虑接管金属多余面积和焊缝金属多余面积等因素,来判定开孔是否需要补强,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.(收稿日期:1999-07-27,偿凰日期:l992D)浙江苍南特种泵有限公司向您提供寓蒗特种泵产品产品特点●采用独特的双密封形式,密封性能可靠,结构紧凑,维修方便.●采用长短叶片相间的复合叶轮,其流量范围宽,?陆能稳定.●流量小,扬程高,效率高.●适用于输送各种温度和浓度的化工介质,倒如:淀氨,液化气,丁辛醇,稠油等易结晶,易挥发且有毒的化工介质.技术参数表项目流量/?h1扬程/m气蚀余量/m11_系刊小琉量耐腐蚀离心泵0.2—15lO一200l一3XWB系剐小琉量特种旋涡泵0.5—5】OD一200,一5锄系列高速离心泵0.5一∞儿0—8801—3岱B.L系列立式高速离心泵1一∞300一l0D0l一3DW系爿低温高速离心泵2一∞l∞一4003—5田L系列保温离心泵0.5—101010D1—3☆本公司新增一部电话为:(0577)4766605。

压力容器开孔补强分析及各种补强方法的比较

ＣＨＥＮｍＹ０
（ｕｎｚｏａｉＧａｇｈｕＨｕ —Ｌ —ＨｅｇＣｅｉａＩｄｓｙＥｕｍｎＣ．Ｌｄ，ＧａｇｏｇＧａｇｈｕ５４Ｃｉａｎｈｍｃｌｎｕｔｑｉｅｔｏ，ｔ．ｕｎｄｎｕｎｚｏ４２，ｈｎ）ｒｐ１１
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
１１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。

压力容器圆筒开孔补强计算方法研究.docx

压力容器圆筒开孔补强计算方法研究.docx压力容器圆筒开孔补强计算方法研究应力集中危害问题要通过正确的方式强化管理，实现补强计算分析，进而充分的保障压力容器的安全性，提升整体的经济性。

通过开孔补强计算方式，可以有效的解决此种问题。

1.压力容器圆筒大开孔补强计算方法应用价值多数工程具有复杂化、大型化以及工艺特殊的特征，在施工中一些压力容器要通过较大的开孔接管进行处理，此种方式会转变原有容器的应力状态，消弱压力容器的强度。

针对与柱壳容器，开孔之后会导致其受到接管弹性约束的影响，导致容器主管的开孔附近受到薄膜应力状态轴向力以及环向力的影响，出现弯矩以及扭矩等问题。

为了提升整体稳定性，在实践中针对一些大开孔设计y要通过科学合理的方式分析受力状况，进而保障施工安全性，提升整体质量。

2.压力容器圆筒大开孔补强计算方法2.1压力面积法通过欧盟标准压力面积法，综合我国实际状况，在被开孔削弱面积补在孔的周围，给出其需药补强的具体面积，不计孔周边的应力集中问题。

开孔补强设计主要的要求就是基于结构进行静力强度分析，基于一次应力强度出发，分析开孔边缘二次应力安定性。

综合其安全系数以及实践经验系统分析。

此种方式对于开孔边缘的应力强度进行分析是否满足一次总体以及局部中对于薄膜应力静力强度要求。

通过对补强范围材料平均薄膜应力控制的方式达到进行应力强度的控制与管理，要保障其在一倍的许用应力。

综合压力在壳体受压面积产生的荷载以及有效补强范围中的课题、接管。

补强材料面积承载能力平衡的相关静力平衡条件则可以确定其进行接管补强计算的方式。

在壳体以及接管、补强材料相同的时候要根据以下公式进行补强计算公式为：P表示的是设计压力。

2.2分析法分析法就是根据弹性薄壳理论获得的应力分析方式。

主要就是在内压作用之下其具有径向接管圆筒开孔的补强设计分析。

分析法设计准则与压力面积法之间具有一定的差别。

此种方式的模型假定接管以及壳体属于连续性的整体型结构，其计算模型如下图所示。

压力容器卷筒大开孔补强计算方法

压力容器卷筒大开孔补强计算方法摘要：压力容器是能够承载一定压力的气体或液体容器，大开孔的压力容器为保证其抗压能力，需在开孔接管位置进行补强。

本文主要对压力容器大开孔补强的相关计算方法进行了分析，并对其进行比较，以找出最适合的补强方法。

关键词：压力容器；大开孔补强；计算方法随着工程技术的发展，对压力容器的要求也越来越高，压力容器常需要进行大的开孔接管工序，而在压力容器上进行开孔操作就会破坏原来的应力状态，使压力容器内的力平衡遭到破坏，因而为了恢复容器内应力平衡状态，需要对容器开孔位置进行补强，而对于补强的计算主要有以下几种方法。

1.压力面积法压力面积法是通过使圆筒、补强原件和接管有效截面产生的承载力与有效补强范围内产生的载荷相等来实现补强的一种计算方法，这种方法在计算时主要考虑补强材料薄膜应力即可，并没有涉及到容器开孔孔边弯曲强度问题，这一方法的计算方式虽然和以往等面积方法有所不同，但原理是一样的。

其计算通式是（Ap/Aσ+1/2）p≤[σ]，其中Ap是指压力容器有效补强范围内的压力作用面积，而Aσ是指补强元件、接管等有效承载面积，p是容器圆筒的设计压力，[σ]则是指所应用的补强材料的许用应力，从上面的计算式就可以看出这一方法的计算是建立在补强截面薄膜应力计算的基础上，而不涉及孔边弯曲应力，因而在实际应用中，常会因实际应力与计算结果相差太大而失去补强的目的，因此这种方法在实际工程中应用较少。

2.ASME计算法鉴于压力面积法在弯矩问题上的缺点，ASME方法就在压力面积法上增加了弯矩作用计算，在理论上就是在计算薄膜应力的同时增加弯矩应力计算，因而其计算通式是，Sb=，M=（/6+RRne）p，其中As是指开孔区域内的横截面面积，而I是指As面积中所对应的中性轴惯性矩，a是指中性轴和容器壁表面之间的距离，Rm是指课题平均的半径长度，Rnm是指接管颈平均的半径长度，e是指As面积中性轴和壳壁中面处之间的距离，由上面的计算式可以看出该计算方法对薄膜应力的计算和压力面积方法相同，并对补强范围进行了调整，然后在这一基础上增加了弯矩计算，弯矩应力主要包括两个部分，一是在实施开孔操作后在孔边缘产生的轴向拉力，二是开空前在开孔区域内压位置上差异不同所带来的弯矩，这一种计算方法较压力面积法更为进步，考虑了开孔位置边缘弯矩应力问题。

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

压力容器的开孔应力状态及补强设计方法

开孔与补强设计是压力容器设计中的一个重
（）弯曲应力２
要部分，开孔补强除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，由于结构的连续性被破坏．会产生很高的局部应力集中，给容器的安全操作带来隐患。这些部位的焊接质量在结构特殊的情况
从设计角度出发，仅需关心其最大应力值及
应力分布特点：
ｒ０时，Ｆ，ｒ００３－ｑｏ２＝０。，＝ｑ２ｅｓ０＝
ｄｒｍｘ０９＂ａ（± ｏ０／：０
孔直径；６壳体开孔处的计算厚度；６一一接管有效厚度；７强度削弱系数。：一在开孔补强过程中，补强削弱系数 ≥１时，
中图分类号：Ｔ００２文献标识码：Ｂ文章编号：１７ — ３５（０７６０１— ３Ｑ５．６３３５２０）０ — ０００
ＯｐｅｎｒｓｎｔｏａｉｆｒｅｅｓｇＭｅｈｏｄｆｅｓｅＶｅｅｎｉｇｓＳｔｅｓＣｏｄｉｉｎｎｄＲｅｎｏｃｍｎｔＤｅｉｎｔｏｒＰｒｓｕｒｓｌＬｕＷｅｂｎｉｎｉ
关键词压力容器容器开孔补强薄膜应力弯曲应力峰值应力中图分类号文献标识码文章编号收稿日期修回日期开孔与补强设计是压力容器设计中的一个重要部分开孔补强除削弱器壁的强度外在壳体和接管的连接处由于结构的连续性被破坏会产生很高的局部应力集中给容器的安全操作带来隐患
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收稿日期：２０ — ３３；修回日期：２０ — ５１０７０—００７０ — ２

压力容器接管开孔补强的有限元计算模型探讨

摘要：在压力容器开孔的有限元计算模型中，统有限元计算模型忽略了法兰的作用，传其结果是相当保守的。带法兰的接管开孔有限元计算模型，由于法兰的作用使得接管整体刚性提高，从而使接管与筒体交
接处的应力大大减小。将不同接管伸出长度的带法兰计算模型的结果进行了比较，纳出了不同接管伸出归
Ｚｖ＝一．１５１７９２＊ＤＩ￥９＝８，２８８２３
ＸＰ＝２５ ●
ＹＰ＝１６４ＺＰ＝ＳＯＯ
＾ｚｚ１，５一ｇ１２３
果法兰和法兰力矩作用使得接管开孑边缘处的应Ｌ力减小，则应予以利用。为此就带法兰的接管开
压力容器接管大开孔计算是一个相当复杂的问题，传统的等面积法适用范围不能解决此类问题，压力面积法也并不很可靠，为此工程上常采用有限元法分析计算。但有限元分析时，了简化，为通常都采取截取接管法兰，接建立接管与筒体直模型，简体和接管端面加载等效压力进行分析计
孔进行了一些考察分析。１传统有限元计算模型和带法兰有限元计算模
型的比较
蓦
冒季
传统有限元算模型如图Ｉ所示。图Ｉ中，
Ｄ１０ｍｍ，１— ８ｒｍ，一５０ｍ，２— ８ｍ，＝００ｔａｄｉ０ｒａｔａｒＬ一２０００ｍｍ，一８ｍｍ，Ｔｌ— Ｔ２＝ｍｍ，ｒ一Ｈ００＝＝８

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。

压力容器圆筒体上大开孔补强问题的探讨

容器》ＨＧ２５２１９＜制化工容器强度计算规、０８－９８钢＜定》ＡＳ及ＭＥ锅炉及压力容器规范第 Ⅷ卷第一册《力容器建造规则》以下简称ＡＳ压（ＭＥ）。ｏｇ５１０是强制性国家标准，设计的最低要求，出是超ｏｇ５开孔范围时，以采用ＨＧ２５２计算并遵１０可０８
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ＧＢ５ — １９＜制压力１０９８钢＜
比较
ｏｇ１０和ＡＳ５ＭＥ规范均适用于壳体上开圆形、椭圆形（类似形状）长圆形孔。ＧＢ５或或１０规定孔
Ｔ～圆筒体厚度，ｍｍ
ｄ～接管内直径，ｉｍｍｔ一接管厚度，ｍｍＣ～钢板负偏差，１ｍｍ
２各规范开孔补强方法的理论基础
Ｇ５Ｂ１０和ＡＳＭＥ规范均采用等面积法进行开孔补强设计，ＨＧ２５２中的补强计算采用的是而０８压力面积补强法。压力面积法与等面积法的实质是
ＡＳＭＥ规定（Ｇ－３）Ｕ－６
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第３期
压力容器圆筒体上大开孔补强问题的探讨
４５
当Ｄ ≤ ６１２ｍｍ），孔最大直径ｄｉＯｉ５０ｎ（时开 ≤ １２，ｄ２（０ｍｍ）／Ｄｉ且 ≤ ０ｉ５８ｎ当Ｄ＞６１２ｍｍ），ｉＯｉ５０ｎ（时开孔最大直径ｄ ≤ １３，ｄ４１０ｍｍ）／Ｄｉ且 ≤ Ｏｉ００ｎ（３２当ｄＤ：．．／ｉ＞０５

压力容器零部件设计---3开孔补强

开孔和开孔补强设计
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。

压力容器圆筒大开孔补强计算方法

压力容器圆筒大开孔补强计算方法发布时间：2021-01-11T03:40:42.338Z 来源：《中国科技人才》2021年第1期作者：袁甜[导读] 由于受到工艺技术操作的影响，压力容器圆筒施工中，极易产生壳体大开孔问题。

压力容器壳体大开孔，主要是由于开孔接管位置应力复杂，导致承压能力下降。

中石油华东设计院有限公司北京分公司摘要：由于受到工艺技术操作的影响，压力容器圆筒施工中，极易产生壳体大开孔问题。

压力容器壳体大开孔，主要是由于开孔接管位置应力复杂，导致承压能力下降。

受到开孔接管结构内压作用，将会影响壳体和接管链接位置结构几何，此时会导致相关区域高应力集中，从而引发较多安全问题。

为了避免出现上述问题，此次研究主要探讨分析压力容器圆筒大开孔补强计算方法，希望能够对相关人员起到参考性价值。

关键词：压力容器；圆筒大开孔；补强计算现阶段，由于多数工程复杂，并且特殊性工艺，部分压力容器需要开孔接管，使原容器应力状态发生变化。

针对柱壳容器，在开孔之后，接管弹性约束会阻碍孔口椭圆化，造成容器主管开孔周边为薄膜应力状态，干扰环向力和轴向力，从而产生扭矩力和弯矩力。

接管轴向力可以应用到容器孔上，此时容器开孔孔边会受到横向剪力影响，容器孔口边缘还会影响接管管壁周边变形，从而遭受反作用力。

所以必须按照应用标准，分析开孔补强处理工艺。

1、常见圆筒开孔补强计算方法1.1等面积法对于等面积法来说，属于美国、日本和中国标准应用的计算方法。

处理原则在于对开孔局面截面拉伸强度进行补偿。

补强处理只是针对静强度问题，只需要计算开孔边缘拉伸强度补强，没有注重开孔边缘弯曲应力、峰值应力。

圆筒大开孔之后，孔口边缘会产生弯曲应力。

圆筒大开孔后，孔口边缘会产生较大弯曲应力，因此无法计算大开孔补强。

1.2压力面积法在应用压力面积法时，可以在有效补强范围内，计算由于内压作用产生荷载和受压元件的抗拉载荷力。

补强计算只是针对开孔部位拉伸强度，计算形式不同。

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。

压力容器圆筒大开孔补强计算方法

σ = pR
(7)
t
其中 t为圆筒厚度。
第 26卷第 3期压力容器总第 196期
图 7 均匀拉伸状态和等值拉压状态
由弹性力学教材 (如文献 [ 4 ] )可以查到 : 1)在均匀拉伸状态下 , 即将开孔的圆形域周边
图 2) ,该位置离有效补强区中性轴的距离为 e,因而
产生绕圆筒母线的弯矩 RRn ep。弯矩 M 是平衡内压 (机械载荷 )所需要的 , 因此
·12·
4 本文方法分析
4. 1 公式推导 ( 1)在未开孔情况下 , 筒体内的应力状态可以
分解成一个均匀拉伸和一个等值拉压状态之和 , 见图 7,其中 :
图 9 圆形域周边的正应力和剪应力
1)在均匀拉伸式 ( 8)作用下 , 环内出现环向薄膜应力 ,见图 10。
Nθ = qrt
σθm
= qr = F/t
3 σr 4 F/t
( 10 )
其中 , F是环的横截面积。
图 10 补强环的环向薄膜力
2)在余弦径向载荷式 ( 9)的第一式作用下 , 补强环内出现如下薄膜和弯曲应力 (见文献 [ 5 ]和图 11,坐标 y见图 13) :
圆筒开孔接管后 , 接管横截面 B 上的拉力对 y
轴的力矩 M 2 为 :
dM 2
=
r·dθπ2πr2
p r
r·
sinθ=
r3 psinθdθ 2
∫ M 2
= r3 p 2
π 2
0
sinθdθ =
p r3 2
(5)
可见 M 2 >M 1 。由于开孔前圆筒处于薄膜应力状态 , 力矩 M 1在开孔肩部 D 点处并不引起弯曲应力 , 所以开孔后引

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。

压力容器设计中开孔补强设计探析

压力容器设计中开孔补强设计探析发布时间：2021-11-18T02:15:29.566Z 来源：《中国科技人才》2021年第22期作者：王强王林阳[导读] 本文首先对开孔补强设计基础概念、计算原则、进行简要阐明，从而对如何在压力容器中合理使用开孔补强设计的应用进行分析研究，具体指整体锻件补强设计运用于压力容器中，将补强圈用于压力容器中的补强设计，将厚壁接管补强设计引入压力容器中这三方面。

旨在促进压力容器设计补强时能应用到更合理更好的补强，降低风险，确保压力容器安全正常运作。

中油（新疆）石油工程有限公司新疆克拉玛依市 834000摘要：本文首先对开孔补强设计基础概念、计算原则、进行简要阐明，从而对如何在压力容器中合理使用开孔补强设计的应用进行分析研究，具体指整体锻件补强设计运用于压力容器中，将补强圈用于压力容器中的补强设计，将厚壁接管补强设计引入压力容器中这三方面。

旨在促进压力容器设计补强时能应用到更合理更好的补强，降低风险，确保压力容器安全正常运作。

关键词：压力容器；应用研究；开孔补强设计引言在压力容器设计过程中，通常都会在压力容器壁上开孔，来为后续的安装和维修提供帮助。

但是，不管是在压力容器的哪一个部分进行开孔，都会直接影响压力容器的性能，因为开孔后就会破坏压力容器自身的结构。

此外，还因为压力容器所应用的环境大多较为复杂，所以为了能够减少开孔对于压力容器的影响，就需要合理应用开孔补强技术。

1压力容器设计中开孔补强设计1.1基础概念压力容器在开孔作业后，其自身受压的平衡性、受压面积以及开孔边缘的应力效应都会存在一定程度上的破坏，进而导致压力容器强度降低，无法达到使用要求。

所以在压力容器设计中，需要通过合理的开孔补强措施来保证压力的平衡性。

我国对于压力容器开孔作业制定了一系列的规范要求，并对锥壳、圆通以及凸形封头的开孔直径做出明确规定，以增强容器强度。

1.2开孔补强的计算原则在实施开孔补强的设计过程中，补强方案、补强位置、应力、开孔数量、容器体积等等都会影响到整个设计效果。