第十二章开孔补强与设备凸缘精品PPT课件

41 3
(1
1 4
(1
)
2
(1
4a2 r2
3a4 r4
)
2 2
cos
a2 r2
)
1 4
(1
3a4 r4
)
cos
2
2a2 r2
3a4 r4
) sin
2
2
3
3
孔边经向处的应力集中系数
3 Kt 2.5
轴向截面的孔边 0和处的应力集中系数
3 Kt 0.5
9
容器开孔产生的应力集中呈现如下特点：
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。
13
开孔补强设计的基本原则
当在容器开孔后，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3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。
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。
3
一、开孔应力集中及应力集中系数
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，则弹性应力集中系凸缘
第一节 开孔补强 第二节 设备凸缘
1
第一节 开孔补强
一、开孔应力集中及应力集中系数 二、开孔补强设计 三、等面积补强计算
2
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
19
2、接管补强
d
e
f
接管补强
（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。
20
3、整锻件补强结构 将接管与壳体连同加强部分做成一整体锻件。
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。
12
二、开孔补强设计
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。
7
(一)开孔的应力集中
3.薄壁圆柱开小圆孔的应力集中
σ1= p R/ T
σ2
σm ax= 2 σ
σθ σγ
r
θ
σ1
a
σ = p R/ 2T
图 3 - 4 薄 壁 圆 柱 开 小 圆 孔 的 应 力 集 中
孔边处r=a， r 0,23cos21,r0
8
(一)开孔的应力集中
3 a2 r 2 (1 r2
) sin
2
) cos 2
2
3
2
应力集中系数Kt
3
3
6
(一)开孔的应力集中
2.薄壁球壳开小圆孔的应力集中
σ
σ m ax= 2 σ
σ
σθ
σγ
r
σ = p R/ 2T
θ
a
σ
图 3 - 3 薄 壁 球 壳 开 小 圆 孔 的 应 力 集 中
孔边处r=a，max 2 , 应力集中系数 K t 2
g
h
i
（a）优点：补强金属集中补强 于结构 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。
15
二、开孔补强设计
1.圆筒上开孔的限制
当内径 Di 1500 mm的容器
开孔最大直径
di
Di 2
当内径 Di 1500 mm的容器
开孔最大直径 di 1000
且
di
Di 3
mm
16
二、开孔补强设计的要求
2.球壳或其他凸形封头上的最大开孔直径
di
Di 2
3.锥形封头上开孔的最大直径
di
Di 3
此处 D 为开孔中心处锥体的内直径
14
二、开孔补强设计
(一)允许不另行补强的最大开孔直径 由于各种强度富余量的存在，开孔并非都要补强。 a.不另行补强的最大孔径为
dm 0.14D m T 39
b.容器的设计压力小于等于2.5Mpa； C.当壳体名义厚度大于12mm时，接管直径小于或等于
80mm，当壳体厚度小于12mm，接管直径小于50mm。
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Kt值； ➢ 在强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。
4
(一)开孔的应力集中
1.平板开小孔的应力集中
σ
σθ
σθ
r
σγ
σ
θσθ
σmax=3σ
a
r 0
图 3 - 2 平 板 开 小 孔 的 应 力 集 中
平板开孔的最大应力在孔边
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； 应力集中和 δ/D 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。 球壳上开孔的应力集中系数稍低于筒体上开孔的 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。
10
11
应力集中对容器安全的影响
处
2
孔边沿r=a处：0, max3
2
5
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
a 2 4a2 3a 4
r
2 (1 r 2 ) 2 (1 r 2 r 4
2
(1
a2 r2
)
2
(1
3a 4 r4
) cos
2
(1
2a2 r2
3a 4 r4
17
（二）补强结构
1、补强圈补强
a
b
c
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
18
二、开孔补强设计
1.补强圈补强 优点：结构简单，制造方便，使用经验丰富。 缺点：补强区域分散，抗疲劳性能差。 常用场合：中低压容器