压力容器开孔及补强设计

平板开椭圆孔的应力集中
1、几点结论
•在球壳上开圆孔的应力集中系数（ ）小于开
椭圆孔的应力集中系数（
）
•在圆柱壳上开圆孔时的应力集中系数（
）
•若要开设椭圆孔，则应使椭圆孔的长轴与壳体
轴线垂直此时（
）
压力容器开孔及补强设计
内压壳体开孔的应力集中
•由于开孔后多焊有不同厚度的接管，应力集中系 数比较复杂，采用理论计算和实验测定相结合的 办法。
•当 越大，即开孔直径越大时应力集中系数越高。 相反，减小孔径，增大壳壁厚度均可降低应力集 中系数。 •内伸式接管的应力集中系数较低，尤其是内伸接 管壁厚较厚时能有效地降低应力集中。
压力容器开孔及补强设计
内压壳体开孔的应力集中
过小或过大时上述曲 线均会有较大的误差
球壳带平齐式接管的应力集中系数
壳壁过厚，即 过 小时，应力沿壁厚分 布的不均匀性增大， 应力集中系数将明显 比图示值减小
(mm)
检查孔最少数 量
检查孔最小尺寸(mm)
人孔
手孔
备注
300-500 500-1000
>1000
手孔2个
人孔1个或手孔 2个(当容器无法
开人孔时)
人孔1个或手孔 2个(当容器无法
开人孔时)
Ф400或长 圆孔
400×250， 380×280
Ф400或长 圆孔
400×250， 380×280
Ф75或长 圆孔
•（2）两相邻开孔中心的距离(对曲面间距以弧长计算)应 不小于两孔直径之和的两倍；
•（3）接管公称外径小于或等于89mm；
•（4）接管最小壁厚满足下表3-9的要求。
接管公称 外径
25 32 38 45 48 57 65 76
89
最小壁厚
3.5
4.0
5.0
6.0
钢材的标准抗拉强度下限值 ＞540MPa，接管与壳体宜采用全焊透的结构型式。接管
压力容器开孔及补强设计
内压壳体开孔的应力集中
球壳带内伸式接管的应力集中系数
压力容器开孔及补强设计
开孔分析的几点结论
1、开孔的应力集中区域属于局部应力，衰减 很快，作用范围在 量级。
2、孔边应力最高，故在孔边补强最有效。
3、球壳上开孔的应力集中小于柱壳上的应力 集中。球壳Kt=2 圆柱壳Kt=2.5 4、在双向应力作用下,圆柱壳开孔边缘经向 截面的应力集中比周向截面的应力集中大得多.
压力容器开孔及补强设计
平板开小圆孔的应力集中
1、单向拉伸应力作用
孔边应力集中及 局部性的特点
压力容器开孔及补强设计
平板开小圆孔的应力集中
2、两向拉伸应力作用
，
结论：圆筒开孔应力集中系数比球壳开孔应力集中系数大
压力容器开孔及补强设计
平板开椭圆孔的应力集中
1、单向拉伸应力作用
压力容器开孔及补强设计
（2）凸形封头或球壳的开孔最大直径 d≤ 1/2Di 。
（3）锥壳（或锥形封头）的开孔最大直径d≤ 1/3Di ， Di为开孔中心处的锥壳内直径。
（4）在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的
中心线宜垂直于封头表面
压力容器开孔及补强设计
适用的开孔范围
壳体上开椭圆孔长短半轴之比小于2。 理由：
等面积补强未计及开孔边缘的应力集中问题，仅 就开孔截面的边缘应力进行考虑，对开孔区局部高应 力的安定问题未加以考虑。
75×50
Ф100或 长圆孔 100×80
Ф150或 长圆孔 150×100
球罐人孔 最小
500mm
压力容器开孔及补强设计
不需要补强的最大孔径
1、GBl50《钢制压力容器》对不需另行补强的最大
开孔直径的最新规定，当壳体开孔满足下述全部要 求时可允许不需另行补强。
•（１）设计压力小于或等于2.5MPa；
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开孔补强的设计准则
安定性补强设计准则
它不涉及塑性分析方法而仅用弹性分析方法对结构进 行弹性应力分析，但允许接管部位的应力超过材料的屈 服强度，从而局部材料会进入塑性状态，但控制该最大 弹性虚拟应力不得超过一定限度仍可保证安全。 用 (英国用 )来限制开孔部位最大应力值(按弹性分析 得出的)的准则称为安定性设计准则
压力容器开孔及补强设计
压力容器开孔的强度问题
1、容器开孔对局部薄膜应力的影响
• 在压力作用下,壳体内存在着薄膜应力.壳体开 孔后使承载截面减小，使该截面的平均应力增加, 而且在开孔边缘的应力分布极为不均匀,随着距离 增加,应力增加逐渐减少.在孔边缘产生的薄膜应力 称为局部薄膜应力.
2、局部弯曲应力
平板开椭圆孔的应力集中
2、双向拉伸应力作用
椭圆孔的长轴与拉伸应力的 方向一致
当 的方向一致
相当于在球壳上开椭圆孔 相当于在圆柱壳上开椭圆孔
压力容器开孔及补强设计
平板开椭圆孔的应力集中
2、双向拉伸应力作用
椭圆孔的长轴与拉伸应力的 方向垂直
当
相当于在球壳上开椭圆孔
相当于在圆柱壳上开椭圆孔
压力容器开孔及补强设计
•接管和壳体在应力作用下变形不一致,由于变形 协调,在相贯处产生一对剪力和弯矩,从而在壳体 开孔边缘和接管端部的局部弯曲应力.
压力容器开孔及补强设计
容器开检查孔的有关规定
为检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、 腐蚀等缺陷，压力容器应开设检查孔。检查孔包括人 孔和手孔.手孔应开设在封头上或封头附近的筒体上
的腐蚀裕量为1mm。
压力容器开孔及补强设计
适用的开孔范围
壳体上开孔直径越大，则开孔系数ρ越大，应力 集中系数也越大。因此，我国GB150《钢制压力容器》 中对开孔直径的最大值加以限制。
（1）圆筒开孔的限制，当内径Di ≤1500mm时，开 孔最大直径d≤1/2Di ，且d≤520mm；
当内径 >1500mm时，开孔最大直径d≤ 1/3Di ，且 d≤1000mm。压力容器开孔及来自强设计开孔补强的设计准则
等面积补强准则
认为在有效的补强范围内，壳体除本身承受内压所 需截面积外的多余截面积不应少于开孔所减少的有效截 面积
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。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，这就是极限分析补强设计准则
压力容器开孔及补强设 计
2020/11/14
压力容器开孔及补强设计
压力容器开孔及补强设计
1、容器开孔接管后在应力分布与强度方面将的影响
•开孔后使承载截面减小，承载材料的削弱。 •破环了原有的应力分布，造成孔边缘局部的应力集中。 •接管处容器壳体与接管形成不连续结构而产生边缘应力
2、应力集中系数
•若未开孔时的名义应力为 ,开孔后按弹性方法 计算出的最大应力若为 ，则弹性应力集中系数 的定义为