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
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≤
b.当两孔中心之间的间距大与两孔直径之和的两倍时，则每一孔均可视为单个开孔。

2、开孔补强形式
（1）内加强平齐接管： 将补强金属加在接管或壳体的内侧。

（2
（4）密集补强形式：补强金属集中在接管与壳体的连接处 （c）凸出接管对称加强
以上四类补强形式，从补强的效果，即补强所附加金属起到的实际作用，实践证明了密集补强效果最好。

对称凸出接管列第二，外加强最差。

3、补强结构
（1）贴板补强结构
贴板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； （d ）常用场合：中低压容器。

a
b （2）接管补强结构：即在开孔处焊接一段加厚的接管，加厚接管处于最大应力区，故能有效的降低应力集中系数。

（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。

（3）整锻件补强结构： 将接管于壳体连同加强部分做成一整体锻件。

（a ）优点：补强金属集中于开孔应力最大部位，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。

接管补强
4、开孔补强的设计准则
（1）等面积补强准则
该方法认为在有效的补强范围内，壳体处本身承受内压所需截面积外的多余截面积A不少于开孔所减少的有效截面积A0。

等面积补强法是世界各国延用已久的一种经验设计方法。

◆开孔削弱的截面积，指沿壳体纵向截面上的开孔投影面积。

式中：d为开孔直径或接管内径加上壁后附加量C后的直径。

T为壳体按内压或外压计算所需的计算厚度。

Fr为材料强度削弱系数，即设计温度下接管材料
与壳体材料许用应力之比，fr<1.0
◆有效补强范围：等面积补强法认为在右图中的WXYZ的矩形范围内补强是有效的。

◆补强区内补强金属面积A
(a)容器壳体设计厚度之外的多余金属截面积：A1筒体或封头，承受内压或外压所需的厚度和壁厚附加量之外剩余的金属面积。

A1＝（B-d）[(S-C)-So]，C—壁厚附加量
式中Tn，tn分别为壳体及接管的名义厚度
T为容器壳体的计算厚度
C为接管的壁厚附加量
fr为材料的强度削弱系数
（b）接管所需计算厚度之外的多余金属截面积：A2 接管承受内压或外压所需厚度和壁厚附加量两者之外多余的金属面积。

A2＝2h1(St-Sto-C)+2h2(St-C1-C2)
式中：t－为接管按内压或外压计算所需的计算厚度；C2－为接管的腐蚀附加量。

（c）在有效补强区内焊缝金属的截面积。

（d）在有效补强区内另加的补强元件的截面积。

若A1+A2+A3≥A，开孔不需要补强
A1+A2+A3 <A，开孔需要补强
则A4≥A-(A1+A2+A3)
A4—补强金属截面积。

（2）极限分析补强设计准则
由于开孔只造成壳体的局部强度削弱，如果在某一压力载荷下容器开孔处的某一区域其整个截面进入塑性状态，以至发生塑性流动，此时的载荷便为极限载荷。

利用塑性力学方法对带有整体补强的开孔补强结构求解出塑性失效的极限载荷。

以极限载荷为依据来进行补强结构设计，即以大量的计算可以定出补强结构的尺寸要求，使其具有相同的应力集中系数。

（3）开孔补强的其他问题
以上是壳体上单个开孔的等面积补强方法，工程上有时还会碰到并联开孔的情况，如果各相邻孔之间的空心距离小于两孔平均直径的两倍，则这些相邻孔可以不再以单孔计算，而应作并联孔处理。

另外还有开排孔、平板盖开孔的情况，其补强设计方法可按照压力容器标准中第六章的相应规定进行。

对于成型封头开孔大小超过时D/2，也超出了等面积补强的规定适用范围，此时可采用“变径段”作过渡。

【思考题】
（1）开孔补强的方法有几种？
（2）等面积补强法允许的开孔范围是多大？
（3）大开孔应采用哪种补强方式？
（4）为什么压力容器壳体上开孔尺寸较小时可不另行补强？。