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 2π

θ±=处， 孔边沿a r =处：

σσστπ

θθθ3,0max 2===±=r

应力集中系数：0.3max ==σ

σt 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 ==σ

σt 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 34122312422214212242

222122

r 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。但是在孔边=2

πθ±处θσ最大，孔边处径向截面处的应力集中系数K t ＝2.5。而在另一个截面，即轴向截面的孔边r=a,π处的最大应力1=0.5θσσ，此处应力系数K t ＝0.5，比径向截面的应力集中系数小得多。

其他情况，例如开椭圆孔以及排孔等情况详见国标规定。针对开孔部位的壳体或者封头壁厚为δ，直径为D ，开孔的孔径为d 时，在接管根部开孔边缘处的应力集中现象呈现如下的特点：

➢ 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，其范围也是极为有限的；

➢ 应力集中的情况和开孔的孔径与直径的相对尺寸d/D 成正比，开孔不宜过大； ➢ 应力集中和D /δ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，因此在开孔周围一定的范围内，采用焊接补强圈的方法。

➢ 球壳上开孔的应力集中系数稍低于通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。

5、应力集中对容器安全的影响

➢ 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。

6、开孔并带有接管时的应力集中系数

以上讨论的是仅在壳体上开孔，但是在实际中通常是还在开孔处有接管，开孔处因为接管与壳体在内压作用下发生变形协调而导致不连续应力出现。例如球壳与圆管的连接如下图所示。因此接管对开孔边缘处的应力集中影响也需要考虑。

Fig. 4 Deformation and internal forces in the opening of sphere shell

应力集中系数曲线：为了便于设计、对不同直径的和不同厚度的壳，带有不同直径与接管，按理论计算得到的应力集中系数绘制成一组组曲线。应力集中系数曲线图绘制根据： ●壳体的直径，壳体厚度；

●接管的直径，接管厚度；

●接管形式的平齐接管，插入接管,的不同而绘制。

第二节 容器的开孔补强

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。

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。

1、开孔补强的基本原则

当在容器开孔后，由于各种强度富余量的存在，开孔并非都要补强。而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。

（2）允许不另行补强的最大开孔直径

a.不另行补强的最大孔径为

δm m D d 14.0≤