开孔补强
开孔补强
目录1前言及概念31.1开孔补强的适应范围和方法 (3)1.2满足开孔条件时，可采用的三种补强方法 (3)1.3开孔补强的目的 (4)1.4补强结构(补强元件类型) (4)1.4.1加强管补强 (4)1.4.2整体锻件补强 (4)1.4.3加强圈的补强 (4)1.5壳体开孔的有关规定 (5)1.5.1允许不补强时开的最大孔直径 (5) (5)1.5.2壳体上允许开的最大孔直径dmax1.6等面积补强计算方法 (6)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) (6)1.6.2等面积补强的原则 (6)1.6.3等面积补强计算方法 (6)2工艺设计 82.1设计要求 (8)2.2连续釜式反应器工艺设计 (8)2.2.1单段连续釜式反应器 (8)2.2.2反应器直径和高度的计算 (9)3 机械设计93.1手孔的开孔补强计算 (9)3.1.1计算是否需要补强 (10)3.1.2计算开孔失去的面积A. (10)3.1.3计算有效补强面积A (11)3.2进料口的开孔补强计算 (11)3.2.1计算是否需要补强 (11)4补强结构图125总结136参考文献 131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。
开孔补强与设备凸缘
1. 壳体材料的标准抗拉强度不能超过540MPa，以避免出现焊接裂纹。 2. 补强圈的厚度不能超过被补强壳体名义厚度δn的1.5倍。 3. 被补强壳体的名义厚度δn ≤38mm。
（二）补强管补强 采用厚困难，制造烦琐，成 本较高，只用在有较高要求的压力容 器上。
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三、容器上开孔及补强的有关规定 （1）开孔尺寸的限制
开孔部位
允许开孔孔径
筒体
凸形封头 平板形封头
Di≤1500mm时，d≤1/2Di，且不大于520mm Di >1500mm时，d≤1/3Di，且不大于1000mm
一、容器接管附近的应力集中
（❖ 一一单）向单受向拉受的拉矩平形板薄小板孔，边第在缘强十中处与央二的设开应章有力备一开集凸小中孔缘孔现补，象当
在板的两个侧面作用有均匀拉力时，板的横截面
内将产生拉伸应力，如果所取截§11面-1 开过孔此补强小孔，原
来作用在小孔截面面积上的应力向附近转移，结
果导致在紧靠开孔边缘处的应力急剧增长，即所
02
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。
03
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。
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二．补强结构与计算
三．补强圈补强
四．补强计算
○ 补强计算最简单的方法是依据等面积补强准则建立起来的。 ○ 等面积补强准则：由于开孔，壳体承受应力所必须的金属截面被削
去多少，就必须在开孔周围的补强范围内补回同样面积的金属截面。
2、补强圈的应用
0 1
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。
关于开孔补强(徐沁)
开孔补强章节一、孔和孔桥补强计算的基本内容s。
--可不考虑孔间影响的的相邻两孔的最小节距（P10）S。
=dp +2√（Dn+δ）δ[d]—未补强孔的最大允许尺寸1 单孔和孔桥单孔：S≥S。
孔桥：S<S02 补强（1）S≥S。
d≤[d] 不需补强（2）S≥S。
d> [d] 按单孔补强（仅适用于d/Dn<0.8, 且d<600mm的径向孔径）补强条件是A1+A2+A3+A4≥A 且补强所需面积的2/3应分布在孔边1/4孔径的范围内（3）S<S0d<d。
按孔桥补强计算孔桥减弱系数，或在满足11.5.2 a、b的条件下，用管接头补强(4）S<S0 一孔d>[d] 在满足11.5.2 a、b的条件下，按单孔补强计算，补强后该孔在该孔桥中按无孔处理。
二孔d>[d] 按13章处理。
二、本章节的主要修正内容关于未减弱集箱筒体的内径Dn和补强管接头内径dn定义的修正原版标准中，补强计算的锅筒筒体、集箱筒体、补强管接头内径Dn 均以名义内径表示。
集箱筒体Dn=Dw-2δ补强管接头dn=dw-2δ1新版修改为集箱筒体Dn=Dw-2δy补强管接头dn=dw-2δ1y原因：由于名义壁厚中包含了壁厚的附加量，而通常集箱筒体和管子的尺寸控制点在外径（外径管），壁厚附加量的损耗会使集箱筒体、管子的实际内径大于其名义内径，而使原先按名义内径得出的一些计算结果偏于不安全。
故新版标准用有效壁厚代替上式中的名义壁厚，即剔除壁厚附加量的影响。
三、孔和孔桥章节的具体修改内容（一）单孔的补强1 未补强孔的最大允许直径(图19) （P41）修改1：k计算中，未减弱集箱筒体Dn的修正系数k k= PDn / (2[б]-P)Sy横坐标DnSyGB9222-88 无论是锅筒筒体或集箱筒体，Dn 指名义内径，GB9222(新版)：锅筒筒体同上，集箱筒体Dn=Dw-2S 修改为Dn=Dw-2δy2 孔的补强结构形式和未补强孔的概念（1）孔的补强结构形式（P43）修改2：增加了新版（a）的结构，并规定只适用于额定压力不大于2.5MPa的锅炉，同时a的结构形式适用于不受热锅筒筒体。
第四章 开孔补强设计
第 开孔补强设计根据GB 150规定，当在设计压力P c ≤2.5MPa 的在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径不大于89mm 时，接管厚度满足要求，不另行补强，故该储罐中只有DN=500mm 的 人孔需要补强。
1. 补强设计方法判别按HG/T 21518-2005,选用回转盖带颈对焊法兰人孔。
开孔直径22C d d i +==500+2×2=504 mm 。
∵ 2/i D d <=3000/2=1500 mm故可以采用等面积法进行开孔补强计算。
接管材料选用10号钢，其许用应力[σ]t=117MPa根据GB150-1998中式8-1，开孔所需补强面积()r et f d A -+=12δδδ 其中：壳体开孔处的计算厚度δ=17.758mm 接管的有效厚度21C C nt et --=δδ=20-0-2=18mm 强度削弱系数[][]r tn r f δδ/==117/170=0.689所以开孔所需补强面积为()r et f d A -+=12δδδ=504×17.758+2×17.758×18×0.311 =4238.452mm 2. 有效补强范围2.1有效宽度B 的确定按GB150中式8-7，得：d B 21==2×504=1008 mmnt n d B δδ++=22=504+2×18+2×20=580mm B=()max 2,1B B=1008 mm2.2有效高度的确定 (1）外侧有效高度h的确定根据GB150中式8-8，得：11h =ntd δ=18504⨯=95.25mm12h =接管实际外伸高度H=H 1=280mm 1h =(()min 12,11h h =95.25mm(2）内侧有效高度2h的确定根据GB150-1998中式8-9，得：21h =ntd δ=18504⨯=95.25mm22h =0()min 22,212h h h ==03. 有效补强面积根据GB150中式8-10 到 式8-13，分别计算如下：321A A A A e ++= 3.1 筒体多余面积AA=(B-d)(δe-δ)-2δet(δe-δ)(1-fr)=(1008-504)(20-17.758)-2×20(20-17.758)(1-0.689)=1102.0782mm 3.2接管的多余面积 接管厚度：ct ic t P D P 5.0φ]σ[2δ==9184.15.09.011725009184.1⨯-⨯⨯⨯=4.94mm()21222h f h A r t e +-=δδ()2C e -δ=2×92.25×(20-17.758)×0.689+0=285.004 2mm4.接管区焊缝截面积(焊角取6.0mm ）262/123⨯⨯=A =36 2mm5.补强面积321A A A A e ++==1102.078+285.004+36=1451.0822mm因为，A e ＜A 所以开孔需另行补强。
开孔补强计算
焊缝金属截面积A3
A3=0.25*δ n*δ nt
补强面积 Ae
Ae=A1+A2+A3
判断是否补强
Ae<A,需补强，反之不需要
另加的补强面积（补强圈的面积A4）
外径应接近B值
整体补强A4
补强高度应大于h1
强度削弱系数 fr：表示设计温度下接管材料与壳体材料许用应力的比值，fr>1时取fr=1，eg;均为S304
红色为输入部分
开孔补强计算
δ （开孔处壳体计算厚度） δ e(壳体有效厚度)
fr(强度削弱系数)
3.5625
13.7
1
δ t（接管计算厚度） δ et(接管有效厚度)
h1(有效高度)
0.84
9
62.3217458
内压
外压
A=dop*δ +2*δ *δ et(1-fr) dop)*(δ e-δ )-2*δ et(δ e-δ )*(1-fr)
1383.675 3937.405
A=0.5*（dop*δ +2*δ *δ et(1-fr)） /
h1*(δ et-δ t)*fr+2*h2*（δ et-C2)fr
1017.090892
/
A3=0.25*δ n*δ nt
35
/
Ae=A1+A2+A3
4989.495892
/
Ae<A,需补强，反之不需要
有效宽度B：=max(2*dop/dop+2*δ n+2*δ nt），取较大值,此计算取B=2*dop 外伸接管有效补强高度h1:=min(√(dop*δ nt)/接管实际外伸高度)，取较小值,,此计算选取 h1=√dop*δ
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。
开孔补强 课件
补强圈补强－在壳体开孔周围贴焊一圈钢板，即补强圈。补强圈的材料一般与器壁相同，补强圈的内、外径可参照标准确定，厚度则需按——等面积补强原则进行计算。
补强圈补强又称贴板补强，在接管处容器的内外壁上围绕着接管焊上一个圆环板，使容器局部壁厚增大，降低应力集中，起到补强的作用。
重要压力容器，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容器等。 。
整体锻件
三、容器上开孔及补强的有关规定
1. 当采用局部补强时，GB150－1998规定，筒体和封头上开孔的最大直径不得超过表中的数值。
三、容器上开孔及补强的有关规定
2. 尽量不要在焊缝上开孔，如果在焊缝上开孔，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。
① 钢材的标准抗拉强度下限值 σb≤540MPa，以防止出现焊接裂纹； ② 补强圈厚度小于或等于1.5δn； ③ 壳体名义厚度δn≤38mm。
GB150指出对采用补强圈结构补强时，应遵循下列规定：
七种情况不采用补强圈补强
高强钢 CrMo钢 设计压力≥4MPa 设计温度大于350℃ 壳体厚度≥38mm 补强圈厚度大于1.5δn 极度高度危害介质的压力容器 承受疲劳载荷的压力容器
*
在补强区范围内， 设 Ae =A1+A2+A3 如果Ae ≥A ,则无需补强；
如果Ae ＜A ，则需要补强。 补强面积为 A4=A- Ae
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 。
压力容器设计-开孔及补强设计
第三章 压力容器的整体设计问题
输入标题
允许不另行补强的开孔情况；
输入标题
输入标题
输入标题
有效补强区。
2
各种补强结构的特点；
等面积补强的原则；
1
4
3
本节重点
平板开小圆孔的应力集中球壳开小圆孔的应力集中柱壳开小圆孔的应力集中开孔的应力集中现象
球壳开孔接管处的变形协调与内力
1
中低压容器应用最多的补强结构，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1.5tn、壳体名义厚度tn不大38mm的场合。
2
应用：
3
Байду номын сангаас
HG21506-92《补强圈》，JB/T4736-2002《补强圈》
4
标准：
2．厚壁接管补强
第三章 压力容器的整体设计问题
增加筒体和封头的壁厚
1.高强度钢（σb＞540MPa）和铬钼钢制造的容器；2.补强圈的厚度超过被补强件壁厚的1.5倍或超过tmax（碳钢tmax＝32mm；16MnR tmax＝30mm）；3.设计压力大于等于4MPa；4.设计温度大于350℃；5.容器壳体壁厚大于等于38mm；6.极度、高度危害介质的压力容器；7.疲劳压力容器。
第三章 压力容器的整体设计问题
（a）外补强－平齐
（b）内补强－平齐
（c）外补强－内伸
（d）内外补强－内伸
图3－11 补强圈补强的基本形式
大多数中低压化工容器采用补强圈补强，最常用的是外补强的平齐接管式，只有在仅靠单向补强不足以达到补强要求时才采用内外双面补强结构。
（四）补强圈和焊接的基本要求
01.
开孔补强设计的要求
压力管道壁厚及开孔补强计算
压力管道壁厚及开孔补强计算压力管道是用于输送液体、气体或其他物质的管道，在运行过程中会受到一定的内外压力载荷。
为了确保管道在压力载荷下的安全运行，需要对压力管道的壁厚及开孔补强进行合理的计算。
1.管道内压力壁厚计算：根据管道的内压力、材料的允许应力和安全因子来计算管道的壁厚。
一般采用ASME标准或API标准中的公式来进行计算。
2.管道外压力壁厚计算：对于管道受到的外压力载荷，例如土压力或深水压力等，需要计算管道的外壁厚度。
常用的方法有ASME标准中的公式和材料力学性能参数。
3.管道轻质液体和气体压力壁厚计算：对于轻质液体和气体在管道中的压力载荷，由于其密度较小，管道壁厚常较薄。
可以采用API520或API521等标准中的公式，结合流体特性和工况条件来进行计算。
在进行压力管道壁厚计算时，需要考虑以下几个因素：1.管道内外压力：管道的内外压力是计算管道壁厚的基本参数，需要准确测量或估算。
2.材料的强度：管道材料的强度特性是壁厚计算的重要参数，需要从材料规格中获取。
3.安全因子：安全因子是考虑管道在运行过程中不确定因素的影响，一般取1.1~1.54.温度和环境条件：管道在不同温度和环境条件下的工作性能可能会有所变化，需要考虑这些因素对壁厚计算的影响。
开孔补强是在管道上开孔时，为了保证管道的强度和稳定性，需要进行相关的补强计算。
开孔补强通常包括以下几个方面：1.开孔位置：开孔位置的选择要考虑管道壁厚和管道材料的强度，避免对管道的强度造成过大的影响。
2.补强类型：开孔补强可以通过焊接补强板、法兰补强等方式进行。
补强方式要根据具体情况选择，确保管道的强度和稳定性。
3.补强计算：开孔补强需要对补强部分进行计算，包括补强板的厚度、尺寸和连接方式等。
一般可以参考相关的标准和规范进行计算。
总之，压力管道壁厚及开孔补强计算是保证管道安全运行的重要环节，需要根据具体情况和相关标准进行合理计算。
通过科学合理的计算，可以确保管道在各种工况下的强度和稳定性，从而保证了工程的安全和可靠性。
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。
等面积法开孔补强计算
6.2 6.2.2
术语、定义和符号 GB150.1 通用要求中界定的术语和定义适用于本章。 符号
6. 2.1
A——开孔削弱所需要的补强截面积， mm2； B——补强有效宽度， mm；
1
GB 150.3—2010 C——厚度附加量（按 GB150.1 规定） ， mm； Cs—— 圆筒厚度附加量； Ct ——接管厚度附加量； D ——圆筒中面直径， mm； Di——圆筒内直径， mm； Do——平盖直径， mm； dop——开孔直径， mm； d——接管中面直径， mm； do——接管外直径， mm； fr——强度削弱系数； g ——接管补强系数； h —— 圆筒补强系数； h1——外伸接管有效补强高度， mm； h2——内伸接管有效补强高度， mm； K ——等效总应力集中系数；
平盖开单个孔，且开孔直径 dop＞ 0.5Do 时，平盖厚度按 6.5 计算。 有效补强范围及补强面积
计算开孔补强时,有效补强范围及补强面积按图 6-1 中矩形 WXYZ 范围确定。
4
GB 150.3—2010
图 6-1 6.3.5.1 有效补强范围
有效补强范围（编辑有错误仍需修改）
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a） 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 （见图 6-2） ， 在通过两孔中心点连线的壳体法截面内采用联合补强。联合补强的总面积应不小于各孔单 独补强所需面积（按 6.3.3 和 6.3.5 计算）之和，且两孔之间的补强面积不小于两孔所需总 补强面积的 50%。在计算联合补强面积时，任何截面不得重复计入。多个开孔中心连线在 同一直线上时，按逐次配对的开孔处理，重叠部分的面积应按该相邻两孔的直径比分摊。 b） 对三个及以上开孔， 若两两相邻开孔的中心距小于该两孔直径之和， 且采用联合补强时 （见 图 6-3） ，则这些相邻开孔的中心距应至少等于其平均直径的 4/3 倍。任意相邻两孔之间的 补强面积应至少等于该两孔所需总补强面积的 50%。 若任意两相邻开孔中心距小于其平均直径的 4/3 倍，则该两孔之间的任何金属均不得用作 补强，这些开孔必须按 c）的方法进行补强。 c） 任何数量并以任意方式排列的相邻开孔，均可作为一个假想孔（其直径包括所有靠近的开 孔）进行补强。假想孔的直径不得超过 6.1.1 规定，所有接管金属均不得用作补强。 d） 圆筒上一系列规则排列的开孔，其每个开孔又无法进行单独补强时，应采用 6.4.2 的方法 补强。
开孔补强
内扳边的厚度应符合UG-27（内压）或UG-28（外压）的要求。
补强要求应符合UG-37。
承受内、外压的内扳边开孔的厚度应按内、外压计算的厚度取较大值。
开孔补强计算举例
壳体内径：48in.
设计压力：250psi
壳体材料：SA-285 Gr. C, S = 13.8 ksi
壳体厚度：0.875 in.
a)对于焊接或钎接接头，最终开孔的直径不大于：
3-1/2in. (89 mm)–壳体或封头的厚度3/8 in. (10 mm)；
2-3/8 in. (60 mm) –壳体或封头的厚度3/8 in. (10 mm)。
b)对于螺纹连接或胀接接头，壳体和封头上的开孔直径不超过2-3/8in. (60 mm).
要求的补强面积
Section VIII, Div. 1 UG-37
提供补强
可供补强有五个方面：
1.A1：壳体上富余厚度提供的补强面积
2.A2：延伸到壳体外侧的管接头富余厚度提供的补强面积
3.A3：延伸到壳体内侧的管接头富余厚度提供的补强面积
4.A4：焊缝提供的补强面积
5.A5：补强圈提供的补强面积
腐蚀余量
按UG-36(c)(1)，腐蚀余量不能用于提供补强。按UG-16(e)，用于计算公式的所有符号代表腐蚀后的尺寸。
UG-40
与容器壁相平行的方向，取以下较大值：
d –开孔腐蚀后的直径
Rn+ t + tn
与管接头壁相平行的方向，取以下较小值：
2.5t
2.5tn+ te
式中：
Rn=开孔腐蚀后的半径
对于不属于上述情况的开孔，没有给出计算方法，应按U-2(g)。
开孔补强形式有嗡几种,试比较其优缺点
在产品设计时，采用哪种形式，应从强度、工艺要求、制造、施工是否方便等因素综合进行考虑和选择。
开孔补强形式有嗡几种?试比较其优缺点?
开孔补强形式有如下四种:
(1)内加强平齐接管，补强金属加在接管或壳体的内侧；
(2)外加强平齐接管，补强金属加在接管或亮体的外侧；
(3)对称加强凸出接管—接管的内伸与外伸部分对称加强；
(4)密集补强，补强金属集中地加在接管与壳体的连接处。
开孔补强计算
16.06
补强区内的焊缝面积A3(mm2)
9
9
补强圈面积A4(mm2)
0
0
A1+A2+A3+A4(mm2)
180.8
180.8
计算截面的校核结果
合格
合格
结论:补强满足要求。
补强圈面积A4
mm2
A-(A1+A2+A3)
mm2
结论:根据GB150第8.3节的规定,本开孔可不另行补强。
开孔补强计算
计算单位
泰安开元环保成套设备有限公司
接管:N4,φ57×5
计算方法: GB150-1998等面积补强法,单孔
设计条件
简图
计算压力pc
1
MPa
设计温度
70
℃
壳体型式
椭圆形封头
壳体材料
mm2
接管多余金属面积A2
mm2
补强区内的焊缝面积A3
mm2
A1+A2+A3= mm2
补强圈面积A4
mm2
A-(A1+A2+A3)
mm2
结论:根据GB150第8.3节的规定,本开孔可不另行补强。
开孔补强计算
计算单位
泰安开元环保成套设备有限公司
接管:N3,φ57×5
计算方法: GB150-1998等面积补强法,单孔
0
mm
壳体腐蚀裕量C
1
mm
壳体材料许用应力[σ]t
170
MPa
椭圆形封头长短轴之比
2
开孔中心到壳体轴线的距离
mm
接管轴线与壳体表面法线的夹角
7.356
度
接管实际外伸长度
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
开孔补强措施
开孔补强措施1. 引言在工程建设和维护过程中，为了满足特定的需要，我们通常需要在构件中开设开孔。
然而，开孔会对构件的承载能力和稳定性产生一定的影响。
为了解决这一问题，需要采取适当的开孔补强措施，以确保结构的完整性和安全性。
本文将介绍一些常见的开孔补强措施，包括加固材料的选取、加固构件的设计和施工方法等。
这些措施将有助于提升开孔结构的承载能力和稳定性。
2. 开孔补强措施的选取在选择开孔补强措施时，需要综合考虑构件的材料、结构形式、开孔尺寸和工程要求等因素。
下面将介绍几种常见的开孔补强措施。
2.1 钢板加固钢板加固是一种常见的开孔补强措施，适用于需要增加构件承载能力的情况。
在开孔处焊接或螺栓连接钢板，以增加构件的强度和刚度。
钢板加固具有施工方便、加固效果显著等优点，适用于较小尺寸的开孔。
2.2 纤维增强材料加固纤维增强材料加固是一种常用的开孔补强措施，适用于需要增加构件强度和刚度的情况。
可以使用碳纤维布、玻璃纤维布等纤维增强材料对开孔区域进行包覆或粘贴，以提升构件的承载能力和稳定性。
纤维增强材料加固具有质量轻、施工简便等优点，适用于中小尺寸的开孔。
2.3 高强度混凝土灌注在需要增强构件强度和刚度的情况下，可以采用高强度混凝土灌注的方法进行加固。
通过在开孔区域灌注高强度混凝土，增加构件的承载能力和稳定性。
高强度混凝土灌注加固适用于较大尺寸的开孔，具有加固效果显著、施工简便等优点。
3. 开孔补强构件的设计要点在进行开孔结构的补强设计时，需要注意以下要点，以确保补强效果和施工质量。
3.1 加固材料的选取根据开孔结构的具体要求，选择合适的加固材料，包括钢板、纤维增强材料和高强度混凝土等。
需要考虑材料的性能、施工方便性和经济性等因素。
3.2 加固结构的设计根据开孔结构的开孔尺寸和构件的强度需求，设计合适的加固结构。
对于钢板加固，需要确定合理的焊接或螺栓连接方式。
对于纤维增强材料加固，需要确定合适的粘贴方式和层数。
开孔补强计算
1.5
mm
壳体材料许用应力[σ]t
163
MPa
接管轴线与筒体表面法线的夹角(°)
0
凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角(°)
接管实际外伸长度
290
mm
接管连接型式
插入式接管
接管实际内伸长度
0
mm
接管材料
16Mn
接管焊接接头系数
1
名称及类型
管材
接管腐蚀裕量
1.5
mm
补强圈材料名称
开孔补强计算
计算单位
接管:N1,φ503×14
计算方法: GB150.3-2011等面积补强法，单孔
设计条件
简图
计算压力pc
3.75
MPa
设计温度
150
℃
壳体型式
圆形筒体
壳体材料
名称及类型
Q235-B
板材
壳体开孔处焊接接头系数φ
1
壳体内直径Di
1900
mm
壳体开孔处名义厚度δn
25
mm
壳体厚度负偏差C1
凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离
mm
补强圈外径
mm
补强圈厚度
mm
接管厚度负偏差C1t
1.4
mm
补强圈厚度负偏差C1r
mm
接管材料许用应力[σ]t
180
MPa
补强圈许用应力[σ]t
MPa
开孔补强计算
非圆形开孔长直径
480.8
mm
开孔长径与短径之比
1
壳体计算厚度δ
5.5072
mm
接管计算厚度δt
1.3231
mm
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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。
1.2满足开孔条件时，可采用的三种补强方法(1)补强圈补强补强圈补强结构简单，制造方便，有一定的补强效果。
但和其它补强结构相比，补强区较为分散，补强效果不佳，补强后的应力集中系数比较大。
由于补强圈并未和壳体、接管形成整体，所以其抗疲劳性很差，一般常用于静压、常温下的中低压容器。
对于缺口敏感性较高的低合金高强度钢制容器，采用此种补强结构时尤需慎重，高温、高压或承受变载荷的容器，则不宜采用此种补强形式。
鉴于补强圈搭接结构会引起较大的局部应力，且高强度钢的淬硬性强，易产生焊接裂纹，故在超出GBl50—1998对其适用条件范围时，宜采用整锻件补强或整体加厚壳体补强。
(2)整锻件补强(包括用全焊透焊缝连接的厚壁管补强)采用整锻件补强，所有补强区域集中在应力集中区，能有效地降低应力集中系数，故补强效果好。
由于补强件和壳体、接管之间的焊接采用对接焊缝，焊接质量可保证，并使焊缝及热影响区离开最大应力点的位置，故抗疲劳性能好。
常用于o S≥500MPa的容器开孔及在低温、高温或受交变载荷的大直径容器开孔。
缺点是锻件供应困难，制造繁琐，成本较高，只在重要的设备中使用。
采用厚壁管补强，接管的加厚部分处于最大的应为区域内，比补强圈更能有效地降低应力集中系数。
这种形式结构简单，制造与检验都很方便，但必须保证全焊透焊接。
对于低合金高强度钢，由于它比一般低碳钢有较高的缺口敏感性，所以一般都采用厚壁管补强型式。
(3)整体加厚壳体补强整体加厚壳体补强结构是以增加整个简体或封头的壁厚来降低开孔附近的应力，其开孔补强计算可按等面积补强法进行计算。
根据理论和实验分析，开孔后的应力集中现象有明显的局部性。
当简体上开设排孔或封头上开孔较多时，一般采用整体加厚壳体补强。
1.3开孔补强的目的降低开孔接管处的应力峰值因为容器的强度条件[]φσσ⋅≤tmax,所以应力峰值降低,设计时[]tσ降低,nδ降低.[]cticpDp-=φσδ21.4补强结构(补强元件类型)1.4.1加强管补强(1)结构：如下图1 即在开孔处焊接一段加厚的接管(2)特点:环焊缝少.易探伤,结构简单(3)适用范围:低合金钢,高压设备1.4.2整体锻件补强(1)结构:如下图2(2)特点:优点: 对焊,易探伤抗疲劳性能好缺点: 成本高,加工难(3)适用范围:高压重要设备1.4.3加强圈的补强①结构: 如下图3②特点:优点:简单,易加工,使用经验丰富缺点:抗疲劳性能差,热应力大,K大. ③适用范围:⎪⎩⎪⎨⎧≤≤≤385.1540un s MPa σδσσ补1.5壳体开孔的有关规定1.5.1允许不补强时开的最大孔直径① P c ≤2.5MPa②开孔中心距A>=两孔直径和的2倍. )(221φφ+≥A ③接管外径d 0≤89mm④接管最小壁厚min σ满足表内要求.1.5.2壳体上允许开的最大孔直径d max(1) 圆筒⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≤≤≤≤≤≤mm D d D mm D d D iiii 10003150052021500max max 且时，且时，(2) 凸形封头与球壳的2max i D d ≤(3) 锥壳或锥形封头的3max i D d ≤(D i 为开孔中心处的锥壳内径)注:椭圆,碟形过度段部分开孔时,孔中心线垂直于封头表面.1.6等面积补强计算方法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)因为补强的目的是降低开孔接管处的应力值,对这个应力值限制在什么范围内,就出现了各种补强准则.(1) 等面积补强准则 (2) 极限分析法 (3) 安定性理论(4) 其它方法: 实验屈服法、实验应力法等1.6.2等面积补强的原则在补强区(在邻近开孔处附近处)所加补强材料的截面积A 0应与开孔而失去的截面积A 相等.即A 0=A其含义:在于补强壳壁的平均强度,用开孔等面积的外加金属来补强被削弱的壳壁强度.1.6.3等面积补强计算方法(1)判断是否要补强计算满足不另行补强的最大开孔直径的条件者,不补强 (2)计算开孔失去的面积A. （3）确定补强区的有效范围有效宽度B 取大值 nt n d B dB δδ222++==有效高度h 取小值外伸长度dh nt δ=1 ，. 内伸长度ntd h δ=2（4）计算有效补强面积0A43210A A A A A +++=1A ——壳体承受内压或外压所需设计厚度之外的的多余金属面积 )1)()((2)(1r e nt e f c d B A ------=δδδδδ）（ 2A ——接管承受内压或外压所需的设计厚度dδ之外的多余金属面积r nt r d nt f c c h f c h A )(2)(22212--+--=δδδ其中 )(d e δδ 计算设计厚度c 厚度附加量 21c c c +=r f 强度削弱系数3A ——补强区焊缝面积2)21(3⨯⨯=高底A4A ——补强区内另加的补强面积（加强圈面积）（5）判断当A A A A A ≥++=3210时， 不用补强。
当A A A A A <++=3210时，需补强。
（6）补强圈面积4A 的计算⊂ 当壳补][][δδ=，)(3214A A A A A ++-≥ ⊆ 当壳补][][δδ>，04A A A -=∈ 当壳补][][δδ<，)(][][14A A A -=壳补δδ（7）补强圈的设计 ⊂ 补强圈的外径 B D 有效宽度≤如308=B 则可知: 补强圈 3000=D⊆ 厚度'δnd D A δδ5.1)('4≤-=若n δδ5.1>， 采用补强圈不合适，该用其他方法补强。
2工艺设计2.1设计要求设计温度 体内：<200 ̊C 夹套：250 ̊C 介质 体内：聚乙烯夹套内：蒸汽搅拌形式 桨式 操作容器 3.0 m 3 采用材料16MnR2.2连续釜式反应器工艺设计2.2.1单段连续釜式反应器()φφA AA Rr x F V V -==0, （1）其中 F A ,0—每秒钟所处理的物料摩尔数，kmol/s 。
对于一级反应：（-γA ）=kC A =kC A,O （1—A x ）则有效反应体积：()()20,00,0,1AA A A A A A R KC C C V x kC x F V -=-=其中 V 0—每秒所处理的物料体积，m 3/s 对于二级反应：（-γA ）=()220,21A A A x kC kC -=，代入式（1）中则有效反应体积为：V R =()()20,020,01AA A A A AkC C C V x kC x V -=-其中 A x —转化率，其它符号同前。
2.2.2反应器直径和高度的计算在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择罐体适宜的长径比(H/Di)，以确定罐体直径和高度。
选择罐体长径比主要考虑以下两方面因素：1、长径比对搅拌功率的影响：在转速不变的情况下，P ∝D 5（其中D —搅拌器直径，P —搅拌功率），P 随釜体直径的增大，而增加很多，减小长径比只能无谓地损耗一些搅拌功率。
因此一般情况下，长经比应选择大一些。
2、长径比对传热的影响：当容积一定时，H/Di 越高，越有利于传热。
长径比的确定通常采用经验值.即表2-1 表2-1 罐体长径比经验表种类 罐体物料类型 H/Di 一般搅拌罐液—固或液—液相物料1～1.3 气—液相物料1～2 发酵罐类1.7～2.5在确定了长径比和装料系数之后，先忽略罐底容积，此时⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛≈≈i i i D H D H D V 3244ππ（2）将上式计算结果圆整成标准直径，代入下式得出罐体高度⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅=⋅-=v V D D v V H Ri i φππ14422 （3）其中 v —封头容积3 机械设计3.1手孔的开孔补强计算该反应釜公称直径Di=1400mm ，由概述内容可得：圆筒⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≤≤≤≤≤≤mm D d D mm D d D iiii 10003150052021500max max 且时，且时，允许不补强时开的最大孔直径 ① P c ≤2.5MPa②开孔中心距A>=两孔直径和的2倍.)(221φφ+≥A③接管外径d 0≤89mm④接管最小壁厚min σ满足表内要求.3.1.1计算是否需要补强已知Pc=P=4Mpa>2.5Mp ，Di=1400mm ，查GBl50表4一l 得[]t σ=133MPa ，按开孔可能通过焊接接头考虑取=O ．85，把数据代人上式得：=Pc*Di ／(2[]tσ-Pc)=4×1400／(2×133 * 0．85-4)=25.3mm取C=C l +C 2=0+1=1．0,式中C 为厚度附加量，mm C l 为钢板或钢管的厚度负偏差，mm C2为腐蚀裕度，mm按照GBl5l 一1999《反应釜》中规定的筒体的最小厚度确定该筒体壁厚为：d δ=min+C1=6+0=6.0mm考虑腐蚀裕度圆整为n δ=7mm其中，n δ为壳体开孔处的名义厚度，mm 。