压力容器大开孔补强计算
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。
压力容器大开孔补强计算方法实例分析
- 43 -第6期压力容器大开孔补强计算方法实例分析王嘉瑶，翟新锋（中泰创新技术研究院有限责任公司， 新疆 乌鲁木齐 830000）[摘 要] 在压力容器设计中，经常面临着大开孔补强问题。
在壳体上开孔影响其承压能力，且开孔的大小、尺寸受到诸多限制，补强方法也多种多样。
本文总结了常用的几种开孔补强计算方法，如等面积法、分析法和压力面积法，并通过对某φ2000卧式容器开φ800孔的实例进行计算和分析，有助于设计人员更好地理解和应用这几种补强方法。
[关键词] 压力容器；大开孔；等面积法；分析法；压力面积法作者简介：王嘉瑶（1998—），女，湖北人，本科学历，在中泰创新技术研究院有限责任公司从事设备设计工作。
1 前言大开孔一般被定义为超过限制值的开孔。
大开孔会削弱壁厚的强度，且孔边缘薄膜应力和弯曲应力都较大，因此最常用的等面积法在大开孔上一般不能使用。
化工装置中，常使用带水包的压力容器，利用油水密度差进行油水分离。
而水包的公称直径普遍和设备直径较为接近，即d/D 较大，这时就需要考虑大开孔补强。
本文用三种方法对一个设计压力0.42MPa ，设计温度60℃，内径φ2000，C1=0.3mm ，C2=2mm 的卧式容器筒体上开φ800孔的设计实例进行计算和简单分析比较。
图1 圆筒开孔补强等面积法与分析法适用范围图2 算例示意图2 等面积法等面积法就是用补强材料在壳体开孔附近一段距离内对开孔削弱的承载面积给予等面积补偿。
它的理论基础仅考虑了壳体中存在的拉伸薄膜应力，类似双向受拉伸开有小孔的无限大平板上孔边的应力集中，所以对小直径的开孔安全可靠。
除此之外，还具有长期的使用经- 44 -论文广场石油和化工设备2021年第24卷验，开孔较大时只要对其开孔尺寸和形状等给予一定的配套限制，也能保证安全，是一般开孔的首选算法。
此方法适用于在受压筒体或者平封头上开圆孔、长短径比小于等于2的椭圆或长圆形孔。
因为本次开孔接管垂直于筒体，所以满足这部分要求。
(特种设备)压力容器常用开孔补强方法对比分析
压力容器常用开孔补强方法对比分析压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。
对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。
本文对这两种方法作以比较和分析。
在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。
容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。
因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。
开孔补强基本原理2.1.等面积法该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。
当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，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。
等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。
它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。
2.2.分析法这种补强方法是以壳体极限分析为基础的，相对等面积法合理得多，但须受开孔壳体和补强接管的尺寸限制。
这种方法优点是：克服等面积法的缺点，在转角处采用圆滑过渡，减少结构形状的突变，减小应力集中程度。
将补强面积集中在应力最高点，充分利用补强面积，使补强更经济、合理。
对比分析3.1.等面积法等面积法顾名思义：壳体截面因开孔被削弱的承受强度的面积，须有补强材料予以等面积补偿，其实质是壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的“强度面积”A乘以壳体材料在设计温度下的许用应力[σ]t，即A[σ]t，应由补强材料予以补偿，当补强材料与壳体材料相同时，则补强面积就等于削弱的面积，故称等面积法。
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 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。
压力管道设备开孔补强计算方法探讨
1.等面积补强。GB50253《输油管道工程设计规范》5.4.9所介绍的补强计算法即为等面积补强法，也是目前计算压力管道开孔补强最常用的一种计算方法。等面积补强法从补强角度讲，壳体由于开孔丧失的拉伸承载面积应在孔边有效补强范围内等面积的进行补强。当补强材料与壳体相同时，所需的补强面积就与壳体开孔削弱面积的强度面积相等。等面积补强法是以补强开孔局部截面积的拉伸强度作为补强准则的，为此其补强只涉及静力强度问题。等面积补强的力学基础是无限大平板开小孔，忽略了开孔处应力集中和开孔系数的影响，粗略的认为在补强范围内补强金属的均匀分布降低了孔边缘的应力集中作用。对于开孔边缘的二次应力的稳定性问题是通过限制开孔形状和开孔范围加以考虑的。等面积法基于无限大平板开孔小孔的假设,未能体现局部弯曲应力影响,这种基于板壳理论的简化方法,不适合大开孔的计算,因此GB50253规定开孔直径不大于主管直径的1/2。
3.有效补强高度不同。采用前者方法的有效补强高度按式(2)和式(3)计算，并分别取式中较小者。而采用后者方法计算时则分为两种情况，如果是挤压引出接管的补强。那么有效补强高度H=；如果是焊接接管的开孔补强，那么有效补强高度H=。在实际计算中。两种计算方法得到的有效补强高度相差不小．对最终计算结果影响也较大。对于挤压引出接管的补强，同属压力管道设备标准的文献[3]和文献[4]的要求也有所不同。文献中规定，挤压引出口接管所需的补强面积按式(7)求得，且对K的取值条件进行了规定。也就是说，按照文献[4]，当开孔接管与简体的直径比小于0．6时，需要乘以一个小于1的系数，开孔接管直径相对于简体越小，这个系数就越小，而文献中就没有这个规定。若开孔接管相对比较小，该区别对计算结果会有较大的影响。
压力容器的开孔补强计算方法主要采用的是等面积补强法，其指导思想是使简体上多余金属的截面积A1、接管上多余金属的截面积A2、焊缝金属的截面积A3之和作为有效补强范围内补强的截面积Ae。若Ae大于等于因开孔而削弱的截面积A，则开孔不需要补强；若Ae小于A，则开孔需要补强，需要补强的面积A4>A—Ae。该方法使用的开孔范围为，当筒体内径Di≤1 500 mm时，开孔最大直径d≤Di／2，且d≤520 mm；当简体内径Di>1 500 mm时，开孔最大直径d≤Di／3，且d≤1 000 mm。
内压容器及开孔补强计算
p
K M
GB150 钢制压力容器
受内压标准椭圆形封头厚度 受内压非标准椭圆形封头厚度 δ δ 6.69 6.69 ㎜ ㎜ MPa ㎜ MPa ㎜
椭圆形封头的最大允许工作压力[Pw] 11.91 受内压碟形封头厚度 δ 53.40 1.52 12.27
蝶形封头的最大允许工作压力 [Pw] 受内压球冠形封头厚度 δ
温度下的计算厚度δp 受内压)(焊接)
70 105 1 172 0.3 ㎜ MPa MPa
厚度计算
76.92 ㎜
凸形封头设计温度下的计算厚度δ (仅受内压)
计算压力 Pc 10 137 1 180 45 1080 1200 1.8 204 8 1 1.33 ㎜ ㎜ ㎜ ㎜ ㎜ ㎜ MPa MPa
设计温度下封头材料的许用应力 [σ ]t
目录
圆形平盖设计温度下的计算厚度 (仅受内压)(焊接)
平盖计算压力 Pc
设计温度下封头材料的许用应力 [σ ]t
焊接接头系数 封头内直径 封头曲面深度 蝶形封头半径 球冠形封头球面部分内半径 球冠形封头计算系数 蝶形封头过渡段转角内半径 封头有效厚度Βιβλιοθήκη 椭圆形封头形状系数 蝶形封头形状系数
Φ Di hi Ri Ri Q r δ
e
焊接接头系数 平盖计算直径 圆形平盖结构特征系数
Φ Dc K
GB150 圆形平盖厚度计算
压力容器三通结构的强度计算
壳体上开孔 区有效承压金属面积 Ａ （ｍ ｍ ） ：
作者简介 ： 陈永强 （ １ ９ ８ ４ 一） ， 广东 台山人 ， 大学本科 ， 助理工程师 ， 从事压力容器设 计工作。
山
・东Leabharlann 化工 １ ６ ４・
Ｓ ＨＡ Ｎ Ｄ Ｏ Ｎ Ｇ Ｃ Ｈ Ｅ Ｍ Ｉ Ｃ Ａ Ｌ Ｉ Ｎ Ｄ Ｕ Ｓ Ｔ Ｒ Ｙ
４ ５ ７． ８ ９；
补强 有 效 范 围 内 接 管 内 的 压 力 面 积 Ａ 曲
（ ｕ ｔ ｒ ｎ ） ： １ ０ ９ ２ １ ． ６ ０ ；
（ Ａ “ ＋ Ａ ） （［ １ ７ ＂ ］ － ０ ． ５ ｐ ）＋ Ａ ｆ ｐ 十（［ ］ ｐ 一 ０ ． ５ ｐ ） ＋ Ａ ｆ ｐ ） ＋Ａ ｆ ｐ （ ［ 仃 ］ ｂ 一 ０ ． ５ ｐ ） ＝ １ ２ ６ １ ３ ８ ． ９ ａ ｒ ｍ ［ ¨ ；
强。
２ 大开孔 型 的补强计 算
本方法适用于当圆筒壳体上采用接管接补强 的 开孔 ， 其开孔接管的 内径 与壳体 内径 之 比应适合 的情况 ， 且其厚度和结构 ， 制造和使用场合满足下列
限制 ： （ １ ） 用于计算 时， 接管有效厚 度与壳体有效厚
度之 比 应 不超 过 图 １中查 出 的值 ； 如果超过 ， 超 出
（ ６ ） 补强范 围内应 避免壳体焊接接头， 如无法 避免 ， 焊接接头应 １ ０ ０ ％无损检测合格 ； （ ７ ） 此补强方法不宜用于介质对应力敏感的场
合 ¨ ；
０ ． ２ Ｏ ． ３ ０ ． ４ ０ ． ５ ０ ． ６ ０ ． ７ Ｏ ． ８ Ｏ ． ９ １ ． ０
图 ２ 用 于 制 造 中采 用 的接 管 实 际 厚度 比 的 限制
压力容器筒体上锥形接管开孔补强计算的探讨
补强范围是以端部受均布载荷的圆柱壳的环向薄膜
等面积补强法是 以拉伸的开孔大平板为计算模 以补强壳体的一次总体平均应力作为补强准则。当 开孔较小时 ， 开孔边缘的局部应力 以薄膜应力为主 ， 故该方法可适用。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
径 向和非 径 向锥形接 管五种 开 孔结 构形 式 开孔补 强 的计算 进行探 讨 。 关键 词 ： 开孔补 强 ； 锥 形接 管 ； 径 向； 非径 向
Ｉ ） ＯＩ ： １ ０ ． １ ３ ７ ８ ３ ／ ｊ ． ｅ ｎ ｋ ｉ ． ｅ ｎ ４ １—１ ２ ７ ５ ／ ｇ ４ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ３ ． ０ ３ ０
定》 中， 第 ６章针对非径 向接管的开孔补强计算 ， 提
出 了适用 于 圆筒 、 锥壳 、 球壳 、 凸形 封 头 和平 封 头 在 内压 或外 压作 用 下装 有单个 或 多个 非径 向圆形接 管
（ 包括球壳和凸形封头 的非径 向接管 、 圆筒 或锥壳
轴 向斜接 管 和 周 向斜 接 管 、 平封头斜 接管） 的 补 强 计算 方法 ， 适用 范 围为壳体 或封头 所允许 的最大开孔 直径 （ 以椭 圆 孔 的短 轴 计 ） 。按 Ｇ Ｂ １ ５ ０ ． １—１ ５ ０ ． ４—
油 化 工 压 力 容 器 设 计 工作 。
・
１ ２ ５・
孔 大平板 孔 边应力 的衰 减 范 围进 行 考 虑 的 ， 即补 强 范 围取 为 ２倍 开孑 Ｌ 直径 对应 的范 围 。接管 上 的有 效
应力的衰减范围 进行考虑的， 即补强范围取为￣ ／
（ ｄ为开孔直径 ， 为接管名义厚度 ） 。
等面积补强法以补偿开孔局部截面的拉伸强度 作为补强准则 ， 其补强 只涉及静力强度问题 。壳体
压力容器开孔补强方法
压力容器开孔补强方法作者：马军伟来源：《中国新技术新产品》2015年第11期摘要：在工程应用中经常需要为满足各种工艺和结构上的要求在压力容器上开孔和安装接管。
容器开孔以后，开孔的地方会形成较大应力，这时需要进行补强，本文列举了一系列容器开孔方法，如等面积法、分析法以及压力面积法等。
关键词：大开孔；补强；压力容器中图分类号：TQ050 文献标识码：A1 前言随着石油化工技术以及海洋和空间等技术的发展，压力容器结构也不再像传统容器结构那样简单。
工艺以及结构需求的不同，使得容器的许多受压元件均要开孔接管，有时还需设计直径大于800mm的大开孔。
容器通过进行开孔，可以减弱其整体强度，使开孔边缘应力过于集中。
按照JB 4732规范提到的应力分类，容器开孔后的应力有以下几种：相贯线壳体变形造成的应力及峰值应力等等。
在容器设计制造中，国内对容器接管开孔补强一般采用以下几种方法：补强圈补强及厚壁接管补强等。
当补强圈补强与壳体厚度相等时，补强圈由于面积过大从而不能集中补强，而且壳体本身和壳体上的其它部件通常也会限制补强圈面积，因此补强圈补强一般适用于容器应力水平低，材料塑韧性好，且容器的工作条件比较优良的场合。
当采用厚壁接管补强时，由于接管与筒体的壁厚相差较大，增大了现场焊接难度和制造成本，若再出现接管力和接管弯矩作用时，接管的设计壁厚将急剧增加，将无法实现接管壁厚补强，因此接管壁厚补强一般适用于像仪表口等小直径接管的补强；而整体锻件补强由于受到锻件制造工艺的约束，目前一般用于封头人孔接管的补强，其结构尺寸大（DN500），成本高，制造难度大，周期长。
以上几种补强对小直径接管来说，优势非常明显。
但对于容器直径较大的（>800mm）开孔接管补强，会因为它的根部峰值应力过大，使得装置运行后，造成容器衬里脱落，甚至可能会造成装置停车。
从这个角度来看，传统的接管补强方法已经不能满足大型化装置。
针对以上情况本文介绍几种常用的压力容器大开孔计算方法。
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。
分析压力容器圆筒大开孔补强计算方法
– 51 –《装备维修技术》2019年第4期（总第172期）doi:10.16648/ki.1005-2917.2019.04.042分析压力容器圆筒大开孔补强计算方法蔡敏（福建省锅炉压力容器检验研究院漳州分院，福建 漳州 363000）摘要： 受到工艺操作等因素的要求，在施工中会出现壳体大开孔的问题。
压力容器壳体大开孔主要就是因为在开孔接管位置中的应力相对较为复杂，降低了其承压能力。
而在开孔接管结构的内压作用影响之下，壳体与接管链接位置结构几何并不连续。
在相关区域中则就会出现较高的应力集中问题，这样就会诱发多种安全隐患问题。
为了解决此种问题，文章主要对压力容器圆筒大开孔补强计算方式进行了简单的分析研究。
关键词： 压力容器圆筒；大开孔；补强计算方法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。
压力容器设计审核人员培训_GB150.3-2019_压力容器_第3部分：设计_第5、6章
35
对于以薄膜应力承载的锥壳，其壁厚按当量圆 筒计算。但在锥壳与相邻圆筒连接部位由于变形协 调引起的附加应力的作用尚需另行考虑。附加应力 的大小与锥壳半顶角大小直接相关。半顶角较小时， 锥壳与圆筒连接处变形协调产生的附加应力很小， 不会影响锥壳的计算厚度。但半顶角较大时，其边 界力和由此引起的附加应力会大大增加，为此导致 加厚锥壳与圆筒连接部位的厚度。
25
（2）边缘影响及边缘应力 两处边界，圆筒与环壳对接的边界
1，环壳与球壳对接的边界2 见下图
26
碟形封头中边界力作用示意图
27
28
3）r/Ri对碟形封头应力的影响： a.当r/Ri较小时（≤0.16）边界2上的作用力对整
个封头中的应力起很大的影响。
b.当r/Ri＞0.16时，M值受其影响很小，这是整 个封头仅受边界1（即封头底边）的影响，其受力 情况已与椭圆封头相近了。
4）变形特征：
内压作用下有趋圆特征，存在着失稳可能。封 头上周向压缩应力随其Ri/r的增大而加剧，从而很 容易发生失稳，GB150.3（表5-3）对Ri/r不超过10， 即是基于这种考虑的。
外压过渡区不存在失稳，“趋扁”；仅对球面 部分进行外压计算。
29
3. 球冠形封头 一）内压作用
（1） 与筒体的连接方式 通常是部分球壳与圆筒连接
37
关于折边结构GB 150.3规定：
锥壳大端，当半顶角α30°时，可采用无折边 结构；当α ≤ 45°时，大端应采用带过渡段的折边 结构。当α ≤ 60°时，大端和小端均应采用带过渡 段的折边结构。大端折边锥壳的过渡段转角半径r应
不小于封头大端内直径的10%，且≥3δr；小端折边
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。
压力容器常见结构的设计计算方法
第三章 压力容器常见结构的设计计算方法常见结构的设计计算方法4.1 圆筒4.2 球壳 4.3 封头4.4 开孔与开孔补强 4.5 法兰4.6 检验中的强度校核4.1.1 内压圆筒 1）GB150中关于内压壳体的强度计算考虑的失效模式是结 构在一次加载下的塑性破坏，即弹性失效设计准则。
2）壁厚设计釆用材料力学解（中径公式）计算应力，利用第一强度理论作为控制。
轴向应力：环向应力：（取单位轴向长度的半个圆环）校核：σ1＝σθ，σ2＝σz ，σ1＝0 σθ≤[σ]t ·φ对应的极限压力：2）弹性力学解（拉美公式）讨论：1）主应力方向？应力分布规律？径向、环向应力非线形分布（内壁应力绝对值最大），轴向应力均布； 2）K 对应力分布的影响？越大分布越不均匀，说明材料的利用不充分； 例如，k ＝1.1时，R ＝1.1内外壁应力相差10%； K ＝1.3时，R ＝1.35内外壁应力相差35%； 4 常见结构的设计计算方法 962）弹性力学解（拉美公式）主应力：σ1＝σθ，σ2＝σz ，σ3＝σr 屈服条件：σⅠ＝σ1＝σθ＝σⅡ＝σ1－μ（σ2＋σ3）＝σⅢ＝σ1－σ3＝σⅣ＝3）GB150规定圆筒计算公式（中径公式）的使用范围为：p/[σ]·φ≤0.4（即≤1.5）4.1.2 外压圆筒1）GB150中关于外压壳体的计算所考虑的失效模式：弹性失效准则和失稳失效准则（结构在横向外压作用下的横向端面失去原来的圆形，或轴向载荷下的轴向截面规则变化）2）失稳临界压力的计算长圆筒的失稳临界压力（按Bresse公式）：长圆筒的失稳临界压力（按简化的Misse公式）：失稳临界压力可按以下通用公式表示：圆筒失稳时的环向应力和应变：定义——外压应变系数于是取稳定系数m＝3，有·应变系数A的物理意义－系数A是受外压筒体刚失稳时的环向应变，该系数仅与筒体的几何参数L、D。
、δe 有关，与材料性能无关·应力系数B的物理意义：与系数A之间反映了材料的应力和应变关系（应力），可将材料的δ－ε曲线沿σ轴乘以2/3而得到B－A曲线。
使用SW6—2011计算压力容器开孔补强的几个问题
使用SW6—2011计算压力容器开孔补强的几个问题作者：司文华来源：《山东工业技术》2013年第10期【摘要】开孔补强是压力容器设计中必不可少的一部分，在压力容器结构设计前需要使用SW6-2011过程设备强度计算软件进行强度计算。
为保证计算的准确性，必须透彻理解SW6-2011软件计算的理论基础，但在实际工作中，一些设计者常常会忽视标准规范中的某些说明或者对计算理论的理解不够透彻而导致取值错误，直接影响了设备的安全可靠性。
本文列举了几个在日常工作中经常遇到的在使用SW6-2011计算压力容器开孔补强时需要注意的问题及通常的处理办法，提醒设计者在设计工作中引起足够重视。
【关键词】开孔补强；压力容器；SW6-20110 引言为满足工艺或结构需要，在压力容器设计中开孔是必不可少的。
容器开孔接管后会引起开孔或接管部位的应力集中，再加上接管上会有各种外载荷所产生的应力及热应力，以及容器材料和制造缺陷等各种因素的综合作用，使得开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位。
虽然标准和规范对设计和计算都作了较为详细的规定，但在使用SW6-2011过程设备强度计算软件计算开孔补强时需要注意对标准规范中有关定义的理解和把握，灵活运用软件，必要时对有关数据进行调整，才能得到正确的结论，保证设备的安全可靠性。
1 补强方法及适用范围1.1 计算时应注意的问题在使用SW6-2011计算开孔补强之前要先判断接管的直径和壁厚是否满足GB150.3-2011中6.1.3不另行补强的最大开孔直径[1]的要求，满足要求的可以不进行计算，没有进行判断直接输入数据的，生成计算书会显示满足不另行补强的最大开孔直径的要求，不予进行计算。
还需要注意的是单个孔开孔补强计算合格，然而该孔的有效补强区B=2d范围内还有其他开孔，形成孔桥的，则应按孔桥处理。
在计算两相邻开孔中心的间距或者任意两孔中心的间距时对曲面间距应按弧长计算，按照弦长或中心线垂直距离计算是不正确的。
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。
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压力容器大开孔补强计算
【摘要】首先对压力容器大开孔补强计算中涉及的应力特点及强度分析进行阐述，然后将目前存在的三种主要的补强计算方法的计算原理、特点等做了详细的介绍，并对三种不同的方法的优缺点进行比较总结，从而要求设计的容器更加符合安全、经济等多方面的要求，实现优化设计的目的。
【关键词】压力容器大开孔补强等面积法分析法及有限元应力分析法
在设计者设计容器及压力容器的过程中通常都需要设计计算壳体的大开孔补强，gb150-2011即钢制压力容器中规定了容器壳体开孔范围，根据壳体的内径不同，分别作了明确地规定，当内径小于1500毫米时，开孔的最大直径要小于等于二分之三的内径，且不能大于520毫米；而当其内径大于1500毫米时，开孔最大直径则应当小于等于三分之二的内径，且其直径不能大于1000毫米。
本文中的容器的大开孔指的是超过以上范围的开孔。
现如今，主要是通过等面积法、分析法及有限元应力分析法三种方法计算压力容器大开孔的补强。
1 大开孔应力特点及强度分析
对压力容器的壳体做开孔后，容器开孔的边缘会形成较为复杂的应力状况，以下是对会引起的三种应力的详细描述。
1.1 局部薄膜应力
一般来说压力容器的壳体承受的都是一次总体薄膜应力，指的是
它承受的薄膜应力是均匀的。
而对其进行开孔后，会导致其面积的减少，即该截面的承载压力的面积减少，将会破坏其原有的均匀受力的情况，对开孔的周边其变化尤为明显，其应力会明显的增加，而对远离开孔的地方，其应力则基本不受影响。
此种仅在开孔附近发生变化的应力被称为局部薄膜应力，同时若这种应力引起失效，则被称为静力强度失效。
1.2 弯曲应力
当容器开孔后，一般需要有另外的一个壳体与被开孔的容器相互贯通。
即需要设置接管、人孔。
两个相连通的壳体在压力的载荷作用下的直径的增大度一般来说不同，而当对其进行接管后，为了平衡、协调其不一致的变形，壳体自身通常会产生一种被称为边界内力的平衡力。
这些边界内力主要是通过在开孔的边缘或者接管的端部引起二次应力从而使其两部分在连接点上的变形能够相互协调。
若这种应力引起的失效，被称为塑性疲劳破坏。
1.3 峰值应力
主要是由于应力在开孔的边缘或者接管的连接处的分布范围过小或者说分布过于集中导致的应力值过高，被称为峰值应力，该种应力主要会造成疲劳破坏。
当对容器进行开孔时，虽然上述的三种应力同时存在，但是其是否会引起破坏则与其加压、卸压的循环次数也密切相关。
因此，对压力容器强度的设计最重要的是考虑其会发生的破坏的形式；然后根据应力性质的不同，分别采取不同的方式计算应力值，从而使容
器既符合安全标准又满足经济最大化的要求。
2 方法
2.1 等面积法
用等面积法计算补强，一般来说只涉及到补强材料的薄膜应力。
用该种方法计算补强，主要考虑的是补强是否在有效的范围内，粗略的认为壳体的高应力是处在同一截面上，其忽略了开孔问题中的应力集中以及应力系数的问题。
2.2 分析法
gb150-2011中新增加分析法是根据我国自主研发的薄壳理论解得到的，设计准则是基于塑性极限与安定分析得出的，通过保证一次加载时有足够的塑性承载能力和反复加载的安定要求来保证安全性，把变形协调处的应力归为等效薄膜应力，和等效总应力，然后进行计算、校核、评定。
分析法适用于开孔率为0.1至0.9，大大扩展了圆柱壳开孔补强设计方法的适用范围。
需要注意分析法计算的原则是，其主要应用在计算内压作用下具有平齐接管的圆筒的开孔补强上，且假定接管和壳题是一个连续的整体结构。
2.3 有限元应力分析法
该种方法主要是通过专用软件来计算，其软件主要是基于弹性应力分析以及塑性失效准则对应力进行分类设计。
其方法原理是，线性化处理危险的截面，从而判断开孔附近的薄膜应力以及整个壳体的应力是否能够达到强度要求。
运用该种方法计算补强，需得注意以下几个方面：第一需要对压
力容器以及其组件从理论分析、数值计算以及试验测定等几个方面进行详细的弹性应力的分析。
第二对压力容器采用塑性失效准则进行强度校核。
用极限载荷的方法限制一次应力，从而避免容器整体的塑性失效；用安定载荷的方法控制一次应力以及二次应力；用疲劳寿命法控制容器的总应力以及最大应力，从而防止其循环失效。
第三对弹性应力进行分类，其分类准则为塑性失效准则。
第四确定各类危险度不同的应力的极限值，确定其极限值符合等安全裕度原则。
3 等面积法、分析法与有限元应力分析法的比较
对于三种应力的综合考虑，等面积法中粗略的认为壳体的高应力是处在同一截面上，其忽略了开孔问题中的应力集中以及应力系数的问题，因此在设计计算开孔率较大、径厚比也比较大的压力容器的开孔问题时，其安全系数无法达到要求。
将分析法用于计算带有径向内伸的接管补强时，需要忽略其接管的内伸的部分，将容器按照具有平齐的接管方式进行补强计算；同时为满足其结构的整体性，需要令补强件、接管以及补强范围内的壳体与平齐的接管采用同样的焊缝形式并且达到同样的无损检测的要求，因此会导致其设计计算的结果太过保守。
而且gb150中的等面积法以及分析法均未曾考虑到峰值应力，因此都不能用来做疲劳设计；而相对来说有限元应力分析法则是以等面积法为基准，对其进行了改进与完善，在考虑三种应力的基础上，对容器的弹性应力以及塑性失效准则又进行了详细的考虑。
4 结语
对于不同的工程实例，计算补强应当认识到大开孔所引起的三种应力对于容器的影响，所以在计算时应当考虑到是否将这三种应力的影响均包括在内了。
对于更准确的开孔补强计算，不能只考虑单一的一种应力，应当将薄膜应力、弯曲应力、局部薄膜应力以及二次应力等众多应力对开孔补强的影响均考虑在内。
设计者必须明确地知道三种方法的不足之处，通过对三种方法的分析汇总，进行优化设计，从而使得设计出的容器更加符合经济、安全等多方面的要求。
参考文献
[1] gb 150一2011.钢制压力容器[s]
[2] 桑如苞.压力容器强度设计技术分析（三）[j].石油化工设计.2007.7（1）：47—54
[3] ad压力容器规范（1 983版）[s]。