压力容器壳体的开孔与补强

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：

σ

σmax

=

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 3412124222422242222

2

r 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 2

π

θ±

=处， 孔边沿a r =处：

σσστπ

θθ

θ3,0max 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 =

，δ

σ42pD =，如果开有小圆孔，则孔

边附近任意点的受力为：

⎪⎪⎪⎪⎭

⎪

⎪⎪

⎪⎬⎫⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛

-+-=⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫

⎝

⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛

-=θστθσσσθσσσσθ

θ2sin 32142cos 3141432cos 34122312422214212242

22212

2

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

π

θ±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