压力容器零部件设计---2开孔补参考课件

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第十二章压力容器的开孔补强

Rm 3 7 Rm 30 150 T
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。

压力容器设计_开孔及补强设计共22页

标准：
HG21506-92《补强圈》，JB/T4736-2019《补强圈》
2．厚壁接管补强
第三章压力容器的整体设计问题
结构：在开孔处焊上一段厚壁接管，见（b）图。
特点：补强处于最大应力区域，能更有效地降低应力集中系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易
检验，补强效果较好。全焊透
应用：高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感
a. 圆筒上开孔的限制：
内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤ d≤520mm；
1 2
D，i 且
内径Di＞1500mm时，开孔最大直径d≤ d≤1000mm。
1 3
D
，且
i
b. 凸形封头或球壳上开孔最大直径d≤
1 2 Di
。
GB150对开孔最大直径的限制：
c. 锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径d≤
第二节开孔及补强设计
第三章压力容器的整体设计问题
埏埴以为器，当
其无，有器之用。
开孔带来的问题
破坏了原有的应力分布并引起应力集中
接管处形成结构不连续应力
壳体与接管连接的小圆角处的应力集中
弹性应力集中系数
Kt

max
一、开孔应力集中及应力集中系数
（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。
（碳钢tmax＝32mm；16MnR tmax＝30mm）；
3.设计压力大整于锻等于件4M补Pa；强
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。
1．补强圈补强
第三章压力容器的整体设计问题

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。

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：（1）σσmax =t K 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：（2）⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θστθσσσθσσσθθ2sin 32122cos 312122cos 34121242224222422222r a r a r a r a r a r a r a r r 平板开孔的最大应力在孔边处，孔边沿处：2πθ±=a r =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 ， , 应力集中系数σσ2max =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，，如果开有小圆孔，则孔δσ21pD =δσ42pD =青岛科技大学机电工程学院装控系化工设备机械基础讲稿第13章边附近任意点的受力为：（3）⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θστθσσσθσσσσθθ2sin 32142cos 3141432cos 34122312422214212242222122r a r a r a r a r a r a r a rr Fig. 3 Variation in stress in a cylindrical shell containing a circular hole孔边处。

2压力容器的主要零部件

6-12 锥形压紧面
梯形槽压紧面
槽底不起密封作用，是槽的内外锥面与垫片接触成梯形,形成密封的，与椭圆或八角形截面的金属垫圈配合。
6-13 梯形槽压紧面
因素3. 垫片性能
垫片密封面的塑性变形能力 ——实现初始密封；
垫片材料及结构的回弹能力 ——提高工作状态下的残余密封比压。
耐腐蚀能力。力学性能，尤其抗高温蠕变能力。工作温度下的变质硬化或软化性。
（a）尚未预紧工况
图6-3 密封机理图
（b）预紧工况（无内压）拧紧螺栓，螺栓力通过法兰压
紧面作用到垫片上。垫片产生弹性或屈服变形，填满凹凸不平处，堵塞泄漏通道，形成初始密封条件。
引入概念1“预紧比压y”
形成初始密封条件时垫片单位面积上所需的最小压紧力，称为“垫片比压力” ，单位为MPa。在预紧工况下，如垫片单位面积上所受的压紧力小于比压力y，介质即发生泄漏。
在跨距中点：载荷——介质压力，弯矩。
1

pc Rm 2Se
M1

R
2 m
Se
膜应力弯曲应力
（b）预紧工况图6-3 密封机理图
y值仅与垫片材料、结构与厚度有关。
（c）操作工况
密封比压下降
导致通入介质压力上升
垫片弹性压缩变形部分产生回弹，使压紧面上的密封比压力仍能维持一定值以保持密封性能。
引入概念2 “操作密封比压”
为保证在操作状态时法兰的密封性能而必须施加在垫片上的压应力，称为操作密封比压。操作密封比压往往用介质计算压力的m倍表示， m称为“垫片系数”。
6-10 凹凸型压紧面
榫槽型压紧面
一榫一槽密封面组成，优点是对中性好，密封预紧压力小，垫片不易挤出，不受介质冲刷，用于易燃易爆密封要求高处。缺点是更换较困难，榫易损坏。

11容器零部件-开孔与补强

化工设备机械基础
4.2.1补强元件的类型
3）整锻件补强
优点：抗疲劳性最好，疲
劳寿命仅降低10～15%。
缺点：锻件供应困难，制
造烦琐，成本较高。常用场合：只用于重要的设备，如高压容器，核容器。
化工设备机械基础
4.2.1补强元件的类型
化工设备机械基础
4.2.2开孔补强的设计准则
1）等面积补强准则
不带颈视镜凸缘构成，结构简单，不易结料，有比较宽阔的视察范围。
化工设备机械基础
带颈视镜当视镜需要斜装或设备直径较小时，则需采用。
化工设备机械基础
化工设备机械基础
视镜已经标准化，化工生产中常用的还有压力容器视镜、
带灯视镜、带灯有冲洗孔的视镜、组合视镜等。
化工设备机械基础
3.2 液面计
σ = σ = 2σ 孔边处r=a，，应力集中系数: Kt=2
max θ
σ
σ
= x a m 2
σ
σ θ r
θ
σ γ
σ
2 / p =
R T
σ
a
σ
化工设备机械基础
3)薄壁圆柱开小圆孔的应力集中
孔边处r=a，应力集中系数：(Kt)max=2.5
σ
σ σ σ max = 2.5 σ
= x a m 2
接管长度必须很短时可用凸缘代替
凸缘本身有加强作用，不需另外补强。当螺柱折断在螺栓孔中，取出较困难。凸缘与管道法兰配用，联接尺寸应根据所选
用的管法兰来确定
化工设备机械基础
2.手孔与人孔
检查设备内部空间以及安装和拆卸内部构件。手孔（HG21515～21527-95）和人孔（HG21528～21535-95）已有标准，设计时根据设备的公称压力，工作温度以及所用材料等按标准直接选用。

压力容器的设计单元十三压力容器零部件(支座及开孔)52p

B=2d d=接管内径+2C (C=C1+C2)
h 1
dSnt
或实际外伸高度的值较；小
h 2
dSnt
或实际内伸高度的值较；小
等面积补强，纵截面上的投影面积要满足下式：
A1+A2+A3≥A A1—壳体的贡献（有效壁厚减去计算壁厚部分）； A2—接管的贡献（有效壁厚减去计算壁厚部分）； A3—焊缝金属截面积; A—壳体上需要补强的截面积。（表6-20 P179）
椭圆形人孔(或称长圆形人孔)的最小尺寸为400mm×300mm。
人孔：筒节、法兰、盖板和手柄。
使用中常打开，可用快开式结构人孔。
水平吊盖人孔
手孔（HG21515～21527-95）和人孔（HG21528～2153595）已有标准，
设计时根据设备的公称压力，工作温度以及所用材料等按标准直接选用。
（2）加强元件结构（3）整体补强结构
若须补强的接管较多，可采取增加壳体壁厚的办法，也称为整体补强。
(四).等面积补强的设计方法
1. 开孔有效补强范围及补强面积的计算等面积补强——补强的金属量等于或大于开孔所
削弱的金属量。图上看，应该考虑的截面是强度削弱较大的截面
——轴（纵）向截面的面积：
三、手孔与人孔
检查设备内部空间以及安装和拆卸内部构件。
手孔直径150mm～250mm，标准
手孔公称直径有DN150和 DN250两种。
手孔结构：容器上接一短管，其上盖一盲板。
人孔：
设备直径超过900mm，有手孔也设人孔。
人孔的形状有圆形和椭圆形。
椭圆形人孔短轴与筒身轴线平行。
圆形人孔直径400mm～600mm，容器压力不高或有特殊需要时，直径可以大一些。

开孔及补强PPT资料优秀版

人孔（A-XB350） 450 HG/T 21515－2005 补强圈补强当设备的直径超过900mm时，应开设人孔。标准中规定手孔有DN150和DN250两种。 8（NM-XB350） 250－0. HG 21506—1992 补强圈 DN100×8―D―Q235―B 压力容器开孔后，仅器壁材料被削弱，同时由于结构连续性被破坏，在孔口边缘应力值显著增加，其最大应力值往往高出正常器壁应力的数倍，这就是常称的开孔应力集中现象。补强圈补强为了检验焊缝的紧密性，补强圈上设有一个M10的小螺纹孔，从这里通人压缩空气并在补强圈与器壁的连接处涂抹肥皂水。《HG/T 21514－2005钢制人孔和手孔》规定了人孔和手孔的基本类型及技术条件。
（一）人孔和手孔
◆补强方法和局部补强结构表示公称压力为0. 压力容器开孔后，仅器壁材料被削弱，同时由于结构连续性被破坏，在孔口边缘应力值显著增加，其最大应力值往往高出正常器壁应力的数倍，这就是常称的开孔应力集中现象。补强圈补强 6 HG/T 21529－2005 8（NM-XB350） 250－0. 人孔（A-XB350） 450 HG/T 21515－2005 补强方法有两种：整体补强、局部补强 8（NM-XB350） 250－0. 厚壁接管补强 8为螺栓代号）、Ⅰ类材料和不带内包边的XB350石棉橡胶板垫片的板式平焊法兰手孔。人孔和手孔的标记示例： 6MPa、公称直径DN为250mm，采用六角头螺栓（b-8. 补强圈补强为了检验焊缝的紧密性，补强圈上设有一个M10的小螺纹孔，从这里通人压缩空气并在补强圈与器壁的连接处涂抹肥皂水。人孔和手孔的标记示例：
◆开孔补强的原因
压力容器开孔后，仅器壁材料被削弱，同时由于结构连续性被破坏，在孔口边缘应力值显著增加，其最大应力值往往高出正常器壁应力的数倍，这就是常称的开孔应力集中现象。

开孔补强课件

（1）补强圈补强（中、低压容器）
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 。

压力容器开孔及补强设计39页文档

1、最灵繁的人也看不见自己的背脊。——非洲 2、最困难的事情就是认识自己。——希腊 3、有勇气承担命运这才是英雄好汉。——黑塞 4、与肝胆人共事，无字句处读书。——周恩来 5、阅读使人充实，会谈使人敏捷，写作使人精确。——培根
压力容器开孔及补强设计
16、自己选择的路、跪着也要把它走完。 17、一般情况下)不想三年以后的事，只想现在的事。现在有成就，以后才能更辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须充满光明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的人只能引为烧身，只有真正勇敢的人才能所向披靡。

压力容器设计开孔和开孔补强设计

浙江大学承压设备研究室15
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。