压力容器基础知识 - 开孔和补强
压力容器的开孔与补强
压力容器的开孔与补强压力容器是一种用于储存和运输高压气体、液体或气体液体混合物的装置。
由于容器内部承受着巨大的压力，因此对于压力容器的结构设计和制造质量的要求非常高，尤其是它的壁厚和容积大小等参数必须经过精密计算和实验验证。
然而，即使设计和制造工艺都非常优秀，压力容器在使用过程中，也一定会出现开孔或由于压力过高而造成形变或者破裂的情况。
为了避免这种情况的发生，我们可以采用开孔和补强两种方法进行预防和解决。
开孔是一种常见的预防压力容器事故的方法。
通过在容器的垂直和水平方向上开孔，可以使容器内部受到更好的冷却和通风，从而减少容器内部压力的累积。
另一方面，开孔的位置也可根据容器内部压力变化而进行调整，使事故的风险降到最低。
此外，设定开孔的位置和数量还可以为维护和保养提供更大的便利。
例如在容器的底部开孔，可以更轻松地清除容器内部积存的物质。
尽管开孔是一种有效的预防措施，但在一些情况下，由于开孔会改变容器的整体结构，从而降低容器的承载能力。
这时，可以采用补强的方法来保证容器的安全。
补强的方法主要是在容器受力较大的地方加装加强筋或者钢板等材料来提高容器的强度和承载能力。
这种方法的优点是可以增加整个容器的稳定性和韧性，从而避免容器内部压力过高而造成的泄漏和破裂等意外事件的发生。
需要注意的是，在进行压力容器的开孔和补强的时候，我们必须严格遵守国家标准，以确保容器的质量和安全。
另外，在进行相关的维修和改装时必须由具备相关资质、资历的专业人员进行操作，这样可以有效地避免其他安全隐患的发生。
最后，压力容器在工业生产和人们的日常生活中发挥着重要的作用，但与之相关的安全问题也时刻需要引起人们的重视。
因此，在日常生活和工作中，我们应该尽可能地避免对压力容器的摩擦和碰撞，同时，也应该注意对其的定期检查和维修，以避免意外事件的发生。
第十二章压力容器的开孔补强
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
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(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
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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
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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。
(特种设备)压力容器常用开孔补强方法对比分析
压力容器常用开孔补强方法对比分析压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。
对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。
本文对这两种方法作以比较和分析。
在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。
容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。
因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。
开孔补强基本原理2.1.等面积法该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。
当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力。
等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。
它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。
2.2.分析法这种补强方法是以壳体极限分析为基础的，相对等面积法合理得多，但须受开孔壳体和补强接管的尺寸限制。
这种方法优点是：克服等面积法的缺点，在转角处采用圆滑过渡，减少结构形状的突变，减小应力集中程度。
将补强面积集中在应力最高点，充分利用补强面积，使补强更经济、合理。
对比分析3.1.等面积法等面积法顾名思义：壳体截面因开孔被削弱的承受强度的面积，须有补强材料予以等面积补偿，其实质是壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的“强度面积”A乘以壳体材料在设计温度下的许用应力[σ]t，即A[σ]t，应由补强材料予以补偿，当补强材料与壳体材料相同时，则补强面积就等于削弱的面积，故称等面积法。
容器的开孔补强
容器的开孔补强
一、开孔应力集中现象及其原因
由于各种工艺、结构、操作、维护检修等方面的要求，需要在压力容器上和封头上开孔或安装接 管。例如人孔、手孔、介质的出入口等。容器开孔之后，由于器壁金属的连续性受到破坏，在 孔边附近的局部地区，应力会急剧增加。这种局部的应力增长现象，称为“应力集中”。在应
力集中区城的最大应力值，称之为“应力峰值”。
容器的开孔补强
二、开孔补强设计Hale Waihona Puke 原则与补强结构1．补强设计原则
(1)等面积补强法的设计原则 (2)塑性失效补强原则
2．补强形式
目前采用的补强形式主要有：①内加强平齐接管；②外加强平齐接管；③对称加 强凸出接管；④密集补强
3．补强结构
(1)补强圈补强结构 (2)加强元件补强结构
(3)整体补强结构
4．等面积补强法的设计
(1)开孔有效补强范围的计算 (2)补强面积的计算
容器的开孔补强
环保设 备
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 ra r r （2） 平板开孔的最大应力在孔边 2πθ±=处， 孔边沿a r =处：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 ，σσ2max = , 应力集中系数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δσ21pD =，δσ42pD =，如果开有小圆孔，则孔边附近任意点的受力为：⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θστθσσσθσσσσθθ2sin 32142cos 3141432cos 34122312422214212242222122r a r a r a r a r a r a ra 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。
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。
开孔与开孔补强解读
A 0.5dop p
开孔率（开孔直径与平盖直径之比）大于0.5的 平盖，受力与法兰相近，故其开孔补强按法兰或反 向法兰计算。
有效补强范围：
两个方向的补强范围 （1）沿壳体经线方向的补强范围： B 2dop 是依据受均匀拉伸作用的开小孔大平板，孔 边局部应力集中的衰减范围确定的。 （2）沿接管轴线方向的补强范围：h d op nt 是依据圆柱壳在端部均布载荷作用时，柱壳 中局部环向薄膜应力的衰减范围确定的。
2.2分析法适用的范围
2.3不另行补强的最大开孔直径
3.，属于拉伸强度补偿。为保障内压壳体开 孔局部截面的拉伸强度，从补偿角度讲：壳 体由于开孔丧失的拉伸承载截面积应在孔边 有效补强范围内等面积地进行补偿，俗称等 面积补强。
等面积补强法对开孔边缘的二次应力的 安定性问题是通过限制开孔形状、长短径之 比和开孔范围（开孔率）间接加以考虑的， 使孔边的局部应力得到一定的控制。 等面积补强法对开孔边缘的峰值应力问 题未加考虑，为此不适用于疲劳容器的开孔 补强。
2. GB150.3-2011中开孔补强的计算包括等面 积法和分析法。 2.1适用范围：
3.2单个开孔补强的等面积法适用范围：
3.3补强的结构形式 1）补强圈补强
接管壁厚选用，特别是小接管的壁厚选 用常出现不合理的现象。 对于要求接管与壳体的焊接接头采用全 焊透的结构时，接管壁厚应取≥1/2壳体壁厚 或取接管壁厚≥6mm两者的较小值。 对于坡口熔敷金属量大的焊接接头，当 壳体壁厚大于16mm时接管壁厚应大于8mm； 当壳体壁厚较大（壁厚≥ 20mm）时，接管与 壳体的连接焊缝宜采用双面坡口。 对于低温压力容器，与壳体相焊的接管 壁厚应不小于5mm，其中DN≤50的短接管宜 采用锻造的厚壁管或异径管。
浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计
浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计压力容器常规设计规范中的开孔补强设计是为了提高容器的强度和稳定性，减小应力集中，避免开裂和变形等问题。
在设计过程中，需要考虑容器的功能和使用条件，合理确定开孔位置、大小和数量，并采取适当的补强措施。
开孔补强设计中的关键问题是如何确定开孔的位置和大小。
开孔的位置应尽量避免处于应力集中区域，如容器的角部、焊缝附近等。
开孔的大小则需要根据承受的载荷和应力水平来确定。
一般来说，开孔的面积不应超过容器壁的总面积的30%。
当开孔过大时，容器壁的强度和刚度会大大降低，容易导致变形和破裂。
在确定开孔位置和大小之后，可以考虑采取以下几种方式进行开孔补强设计：1.增加开孔的边缘钝化半径：开孔边缘的过渡半径越大，应力集中程度越小。
在常规设计中，一般要求开孔边缘的钝化半径为开孔直径的1.5倍。
2.添加补强环：在开孔边缘处添加环形补强，可以有效减小应力集中，提高强度和稳定性。
补强环的尺寸和数量需要根据开孔的大小和容器的使用条件来确定。
3.增加开孔区域的厚度：开孔附近可以增加壁厚，提高容器的强度和刚度，减小应力集中。
墙厚增加的大小需要根据应力分布和容器的使用条件来确定。
4.使用合适的补强片：在开孔的附近添加合适的补强片，可以提高容器的强度和稳定性。
补强片的材料和尺寸需要根据容器的使用条件和承载能力来确定。
5.考虑应力分配：在设计过程中需要考虑容器的应力分配情况，避免应力集中。
可以采用软件模拟和实验测试等方法来确定应力分布和开孔补强设计的有效性。
在进行开孔补强设计时，还需要考虑容器的材料特性、制造工艺和维修等问题。
同时，需要按照国家和行业的相关规范和标准进行设计，确保容器的安全可靠性。
总之，开孔补强设计是压力容器常规设计规范中的重要环节，对容器的强度、稳定性和可靠性起着至关重要的作用。
合理选择开孔位置和大小，采取合适的补强措施，能够有效减小应力集中，提高容器的安全性能。
浅谈压力容器开孔补强的方法.
浅谈压力容器开孔补强的方法浅谈压力容器开孔补强的方法2011-04-17 09:23 来源：未知浏览次数：关键字：方法,补强,开孔,压力容器,浅谈,浅谈压力容器开孔补强的方法李文英摘要：本文主要对压力容器开孔后进行补强的方法进行探讨，主要针对等面积补强；压力容器大开孔补强方法；平盖开孔补强；高压蒸汽过热器联箱开孔补强这几种方法进行了比较。
关键词：压力容器开孔补强方法随着化工行业的发展，压力容器在化工厂中越来越普遍，其安全性也越来越受到重视。
这样在压力容器设计中一些较易出现问题的地方，更引起人们的注意了，如压力容器封头上的开孔及补强是一个非常爱出问题的地方，一旦计算有误就会造成容器的破坏，甚至引起工作人员的伤害，或者造成经济上的浪费。
下面就对压力容器的开孔补强进行分析。
1.等面积补强化工容器常用的开孔补强方法是等面积补强法，其基础理论是在有效补强范围内所加补强材料的截面积必须大于或等于因为开孔而失去的截面积。
其实质在于补强壳体的平均强度，即维持容器整体的屈服强度，理论模型是无限大平板开小孔，不至于因开边缘附加弯曲应力引起大的误差，故对小直径开孔安全可靠，其计算方法如下：满足下列条件不需补强：A1+A2+A3≥A不满足这一条件则需要补强，补强金属的面积为：AO= A一(A1+A2+A3 )式中：A---壳体因开孔而削弱的截面积；AO----补强金属的面积；A1---筒体或封头上超过计算厚度S所多余的金属截面积；A2---接管上超过强度计算厚度所多余的金属截面积；A3---补强区内焊缝的截面积。
其适用范围是局部补强的材料基本上应与壳体相同，其强度不应小于壳壁材料强度的75％。
适用于筒体的最大开孔直径dI≤1000毫米，而封头的开孔最大直径是dI≤1／2DJ。
d i—开孔最大直径；DJ—封头内径。
这类计算方法只能在一般情况下应用，在特殊情况下则不适用，例如容器大开孔时补强，平盖的开孔补强以及高压蒸汽过热器的开孔补强，下面将分别讨论。
2020年压力容器的开孔与补强
（情绪管理）压力容器的开孔和补强第13章压力容器的开孔和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。
第壹节容器开孔附近的应力集中1、关联概念（1）容器开孔应力集中（Openingandstressconcentration）于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且安装接管，例如：人孔、手孔、进料和出料口等等。
容器开孔接管后于应力分布和强度方面会带来下列影响：◆开孔破坏了原有的应力分布且引起应力集中。
◆接管处容器壳体和接管形成结构不连续应力。
◆壳体和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（stressconcentrationfactor）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）压力容器设计中对于开孔问题研究的俩大方向是：✧研究开孔应力集中程度，估算K t值；✧于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.1Variationinstressinaplatecontainingacircularholeandsubjectedtouniformtension 设有壹个尺寸很大的巨型薄平板，开有壹个圆孔，其小圆孔的应力集中问题能够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，只要板宽于孔径的5倍之上，孔附近的应力分量为：（2）平板开孔的最大应力于孔边处，孔边沿处：应力集中系数：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.2Variationinstressinasphereshellcontainingacircularhole孔边处r=a，,应力集中系数4、薄壁圆柱开小圆孔的应力集中如图3所示，薄壁柱壳俩向薄膜应力，，如果开有小圆孔，则孔边附近任意点的受力为：（3）Fig.3Variationinstressinacylindricalshellcontainingacircularhole孔边处。
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 2πθ±=处， 孔边沿a r =处：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 ，σσ2max = , 应力集中系数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δσ21pD =，δσ42pD =，如果开有小圆孔，则孔边附近任意点的受力为：⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θστθσσσθσσσσθθ2sin 32142cos 3141432cos 34122312422214212242222122r 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。
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
压力容器设计-开孔及补强设计
第三章 压力容器的整体设计问题
输入标题
允许不另行补强的开孔情况；
输入标题
输入标题
输入标题
有效补强区。
2
各种补强结构的特点；
等面积补强的原则；
1
4
3
本节重点
平板开小圆孔的应力集中球壳开小圆孔的应力集中柱壳开小圆孔的应力集中开孔的应力集中现象
球壳开孔接管处的变形协调与内力
1
中低压容器应用最多的补强结构，一般使用在静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于540MPa、补强圈厚度小于或等于1.5tn、壳体名义厚度tn不大38mm的场合。
2
应用：
3
Байду номын сангаас
HG21506-92《补强圈》，JB/T4736-2002《补强圈》
4
标准：
2．厚壁接管补强
第三章 压力容器的整体设计问题
增加筒体和封头的壁厚
1.高强度钢（σb＞540MPa）和铬钼钢制造的容器；2.补强圈的厚度超过被补强件壁厚的1.5倍或超过tmax（碳钢tmax＝32mm；16MnR tmax＝30mm）；3.设计压力大于等于4MPa；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。
第三章 压力容器的整体设计问题
（a）外补强－平齐
（b）内补强－平齐
（c）外补强－内伸
（d）内外补强－内伸
图3－11 补强圈补强的基本形式
大多数中低压化工容器采用补强圈补强，最常用的是外补强的平齐接管式，只有在仅靠单向补强不足以达到补强要求时才采用内外双面补强结构。
（四）补强圈和焊接的基本要求
01.
开孔补强设计的要求
压力容器的开孔与补强
压力容器的开孔与补强压力容器是一种用于贮存和运输高压气体、液体或者混合物的设备。
它们通常需要承受巨大的压力，在日常使用中，压力容器容易出现开孔和损伤的情况。
这种情况下，我们需要对压力容器进行修复和加固。
下面，我们将重点探讨压力容器的开孔与补强的相关知识。
1. 压力容器开孔的原因压力容器开孔的主要原因是意外撞击和磨损。
在使用过程中，如果受到了外力的冲击或者过度的磨损，压力容器的表面很容易出现开孔或者裂缝。
另外，压力容器还可能在制造和储存过程中出现缺陷，导致它们容易出现开孔和损伤。
2. 压力容器补强的方法常见的压力容器补强方法包括金属厚板贴补、涂覆材料和拉毛加固等。
(1) 金属厚板贴补：该方法是在压力容器的开孔处贴补一块同样厚度的金属板，然后使用焊接技术将其固定。
这种方法的优点是容易操作，效果比较显著，但是需要小心操作，否则可能会导致更严重的气体泄漏。
(2) 涂覆材料：这种方法是把一个薄的涂覆材料铺在压力容器的表面，在开孔处多涂几层。
涂覆材料通常是耐高温、抗腐蚀的特殊塑料或者橡胶材料。
该方法的优点是简单易行，不会对整个压力容器造成太大的影响。
(3) 拉毛加固：这种方法是在压力容器的开孔处用拉毛工具让金属拉伸，使其保持平整。
然后在开孔处焊接一块金属板，以加强其整体性能。
拉毛加固的优点是成本较低，对环境污染较小，适合于一些小型压力容器的修补。
3. 压力容器补强的预防措施在压力容器的设计与制造中，预防措施是非常重要的。
以下几点应该注意：(1) 在制造过程中确保压力容器表面光滑、整齐，不要有裂缝或者瑕疵。
(2) 在储存和运输时要轻拿轻放，防止碰撞和磨损。
(3) 在使用过程中，要对压力容器的外部结构进行定期检查，发现缺陷及时修复。
总之，压力容器是现代工业中必不可少的储存和运输设备。
在使用过程中，如果出现了开孔和损伤的情况，我们应该及时进行修复和加固，以确保其安全稳定运行。
同时，在设计、制造和储存过程中，也要注意预防措施，减少压力容器出现开孔和损伤的可能性。
压力容器设计基础知识培训-201706
1、总论-设计参数
1.2 设计参数
1.3.3 设计时应载荷 1.压力
1)内压、外压或最大压差; 2)液柱静压力; 3)试验压力。
2.重力载荷
1)容器空重:容器壳体及内外部固定件(如接管、人孔、法兰、支承圈、支座及内部
元件等)的质量;
2)可拆内件的重力载荷:容器内部可拆卸构件(如填料、填料格栅、支承梁、除沫器
δc 计算厚度，由计算公式得到，保证容器强度，刚度和稳定的厚度 δd 设计厚度，δd =δc +C2（腐蚀裕量）保证规定使用寿命所需厚度 δn 名义厚度，δn =δd +C1（钢材负偏差）+△（圆整量） δe 有效厚度，δe=δn-C1-C2=δc+△ （决定元件的承载能力） δmin 设计要求的成形后最小厚度，δmin≥δn-C1 （GB150 4.3.7壳体加工成形后最小厚度是为了满足安装、运输中刚 度而定；而δmin是保证正常工况下强度、刚度、寿命要求而定。） δ坯 坯料厚度δ坯=δd +C1+△+C3 （其中： C3 制造减薄量，主要考虑材料（黑色，有色）、工艺（模 压，旋压；冷压，热压），所以C3值一般由制造厂定。）
压力容器设计基 础知识培训
技术中心 郝世荣
主要内容
1、总论 2、受压元件 3、外压元件（圆筒和球壳） 4、开孔补强
主要内容
1、总论 2、受压元件 3、外压元件（圆筒和球壳） 4、开孔补强
1、总论-GB150适用范围
1.1 GB/T 150适用范围
适用的温度范围： 1）设计温度范围：-269℃∽900℃。 2）钢材不得超过按GB/T150.2所列材料的允许使用温度范围。
对“成型后的最小厚 度” 。
浅谈压力容器开孔补强的方法及计算
浅谈压力容器开孔补强的方法及计算发布时间：2021-08-13T10:44:23.333Z 来源：《科学与技术》2021年4月10期作者：韩秋菊[导读] 本文论述了在压力容器的设计中，采用开孔补强的设计方法，由于开孔补强有很多种，本文对其中几种进行深入的分析比较。
浅谈压力容器开孔补强的方法及计算韩秋菊中石化上海工程有限公司上海 ?200120摘要：本文论述了在压力容器的设计中，采用开孔补强的设计方法，由于开孔补强有很多种，本文对其中几种进行深入的分析比较。
关键词：压力容器，开孔补强，计算1.引言随着工业化的发展，压力容器在化工行业越来越普遍，其安全性也越来越受到重视。
开孔补强计是压力容器设计中必不可少的一部分，压力容器开孔后，不仅整体强度削弱，而且还因为开孔造成的应力集中造成开孔边缘局部的高应力，在制造过程中，开孔部分不可避免的形成缺陷与残余应力，于是，开孔附近就往往成为容器的破坏源,因此，在压力容器设计中必须充分考虑开孔补强问题。
2.开孔补强常用的方法2．1等面积补强法等面积补强法是我国压力容器标准GB150中介绍的一种补强方法。
等面积补强法的原则是：在容器和接管连接处周围补强的截面积等于壳体因开孔所减少的截面积。
这种补强的方法是以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则，故对小直径的开孔安全可靠。
同时该方法比较安全可靠，使用简便，在中低压容器设计中较多采用，这也是我们平时设计中最为常见的一种补强方法。
2．2压力面积补强法压力面积补强法是西德AD压力容器规范中采用的补强方法，它的设计原理和等面积法补强方法相同，不同的是对于壳体补强有效范围规定不同。
压力面积补强法开孔率可达0.8，所以当开孔率超过等面积补强时，可以采用压力面积补强。
经过许多实例考证，由于此法计算结果与实际应力相差较大，所以在设计中此种补强方法并不常见。
浅谈常规压力容器的开孔补强设计
浅谈常规压力容器的开孔补强设计摘要：在压力容器上开孔，将会使压力容器的承压能力降低，在其设计工艺条件下会产生危险，因此压力容器开孔后需进行补强，本文介绍了压力容易开孔补强的两种方法和应注意的问题，并针对实例进行了计算演示。
关键词：压力容器补强开孔随着化工行业的发展，压力容器在化工厂中越来越普遍，其安全性也越来越受到重视。
开孔补强设计是压力容器设计中必不可少的一部分，标准和规范中虽然对设计和计算都作了较为详细的规定，但安全、经济、合理的设计仍是摆在我们面前的一个课题。
一旦计算有误就会造成容器的破坏，甚至引起工作人员的伤害，或者造成经济上的浪费。
按照GB150-1998《钢制压力容器》规定，在压力容器的设计过程中，应采用适当的开孔补强设计。
下面就对压力容器的开孔补强进行分析。
一、开孔补强方法的选择1.压力面积法压力面积是西德AD规范中采用的开孔补强方法，其开孔率可达0.8，较等面积法为大。
当开孔率超出等面积法适用范围时，常采用该法进行补强：压力面积法的意义如下。
式中，AP-为补强有效范围内的压力作用面积；Aσ-为补强有效范围内的壳体、接管、补强金属的截面积；P-设计压力；[σ]-材料许用应力公式（1）是以在壳体有效补强区域中的压力载荷与壳体的承载能力相平衡为基础的，即压力在壳体受压面积上形成的载荷与有效补强范围中的壳体、接管、补强材料的面积所具有的承载能力相平衡。
由式（1）的变形得出式（1a）：式中左端项即压力在壳体受压面积上形成的载荷。
式中右端项为材料所具有的承载能力材料的承载能力，应大于压力引起的载荷，所以使用不等号相联接。
右端项中是由于采用“中径”公式的缘故。
2.等面积补强法等面积法是以拉伸的开孔大平板为计算模型的。
但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力，故该方法不能相适应。
补强计算时，在有效补强范围内的所有多余面积（即有效厚度提供的面积扣除壳体或接管本身强度所需的面积）均可作为补强面积。
压力容器设计开孔和开孔补强设计
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。
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二、对容器开孔的限制 ◆ 当圆筒内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d ≤Di/2， 且d ≤520mm；当圆筒内径Di＞1500mm时，开孔最大直径 d ≤Di/3，且d ≤1000mm。 ◆ 凸形封头或球壳上开孔时，开孔最大直径d ≤Di/2。 ◆ 锥壳上开孔时，开孔最大直径d≤Di/3，Di为开孔中心 处锥壳内径。 ◆ 在椭圆形或碟形封头的过渡区开孔时，孔的中心线宜 垂直封头表面。
标准补强圈结构
◆ 补强圈结构的适用范围 A型适用于无疲劳、无低温及大的温度梯度的一类压力 容器，且要求设备内有较好的施焊条件。 B型适用于中压、低压及内部有腐蚀的工况，不适用于 高温、低温、大的温度梯度及承受疲劳载荷的设备。S 取管子名义壁厚的0.7倍，一般δn t=δn/2 (δn t为 接管名义厚度；δn为壳体名义厚度)。 C型适用于低温、介质有毒或有腐蚀性的操作工况，采 用全焊透结构，要求当δn≤16 mm时，δn t≥δn/2； 当δn＞16 mm时，δn t≥8mm。 D型适用于壳体内不具备施焊条件或进入设备施焊不便 的场合，采用全焊透结构，要求当δn≤16 mm时，δn t≥δn/2；当δn＞16 mm时，δn t≥8mm。 E型适用于储存有毒介质或腐蚀介质的容器，采用全焊 透结构，要求当δn≤16 mm时，δn t≥δn/2；当δn ＞16 mm时，δn t≥8mm。 F型适用于中温、低温、中压容器及盛装腐蚀介质的容 器，要求当δn≤16 mm时，δn t≥δn/2，当δn＞16 mm时，δn t≥8mm，且接管公称直径DN≤150 mm.
◆ 标准补强圈的选用
若需采用补强圈补强 ，可采用以下程序来选择标准补 强圈：
● 确定补强圈的尺寸； ● 由设备的工艺参数决定补强圈的结构； ● 补强圈材料取与被补强壳体材料相同。
●整锻件补强 整锻件补强是在开孔处焊上一个特制的整体锻件，补强 金属集中在应力最大的部位，采用对接焊且使接头远离 应力集中区域，补强效果最好、特别是抗疲劳性好。但 锻件加工复杂、且成本高，所以只用在重要的设备上。 如容器受低温、高温，交变载荷的较大开孔等。
四、等面积补强的计算
◆等面积补强法的原则
在有效补强范围内的补强金属截面积要大于或等于开孔 中心在壳体纵截面内开孔而被削弱的金属面积。
◆ 等面积补强的计算
● 计算筒体或球壳上开孔后被削弱的金属截面积A 筒体上开孔后被削弱的金属面积A是指筒体在轴向截面 上开孔的投影面积。 按下式计算
A d 2 et (1 f r )
等面积补强计算图
● 确定有效补强范围
▲ 有效补强范围 由于开孔处应力集中产生在孔周围很小的范围内，所 以只有在此范围内的补强金属才有效，称之为有效补强 范围。 ▲ 有效宽度B
◆ 壳 体开孔满足下列全部条件时，可不另行补强（可不采
取专门的补强措施）
● 设计压力不超过2.5 MPa； ● 两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不
小于两孔直径之和的两倍；
●接管外径不超过89mm； ●接管最小壁厚满足表4-10的要求。
三、补强结构 ◆常用的补强结构
补强圈补强、厚壁接管补强 、整锻件补强 ●补强圈补强
以上A1、A2和A3三部分有效补强面积都不是由补强圈 提供的，如果A1+A2+A3≥A，则开孔后不需另行补强；如 果A1+A2+A3＜A，则开孔后需要另行补强，所增加的补强 金属截面积为A4，应满足 ：
A4 A ( A1 A2 A3 )
பைடு நூலகம்
A4 由上式可得补强圈的厚度为 c D2 D1 注意： 补强时，所使用的补强材料一般需与壳体材料相同， 若补强材料许用应力小于壳体材料许用应力，则补强面 积应随壳体材料与补强材料许用应力之比而增加；若补 强材料许用应力大于壳体许用应力，则所需补强面积不 得减少。 对于椭圆形、碟形封头的开孔补强计算可参见GB150 中的有关规定。
B 2d B d 2 n 2 nt
取两者中的较大值
▲ 外侧有效高度h1
h1 d nt
取两者中的较小值
h1 接管实际外伸高度
▲ 内侧有效高度h2
h1 d nt h 接管实际外伸高度
取两者中的较小值
1 ● 计算有效补强范围内可以用来补强的金属截面积
A1—壳体的有效厚度减去计算厚度之外多余的金属面
厚壁接管补强就是在开孔处焊上一个特意加厚的短管， 这样可有效地降低开孔周围应力集中的程度，采用的入 式接管则补强效果更佳。 厚壁接管补强的应用条件
对大量使用的高强度低合金钢容器，大多采用这种结 构。在用于重要设备时，焊缝应采用全焊透结构，在确 保焊接质量的前提下，这种形式的补强效果接近整锻件 补强。
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。 补强圈补强的应用条件
▲ 被补强壳体材料的标准拉伸强度不超过540MPa；
补强结构
▲ 被补强壳体的名义厚度不超过38mm；
▲补强圈的厚度不超过壳体的名义厚度的1.5倍。 ● 厚壁接管补强
积；
A1 ( B d )( e ) 2 et ( e )(1 f r )
A2— 接管有效厚度减去计算厚度之外多余的金属面积；
A有效补强区内焊缝的截面积，具体计算见图。 2 2h1 ( et t ) f r 2h2 ( et C 2 ) f r A3—
五、标准补强圈及其选用 ◆ 标准补强圈
为了使补强设计和制造更为方便，中国对常见的补强 圈及补强管制定了相应的标准，补强圈标准为HG21506， 补强管标准为GHJ527。标准补强圈的直径和厚度就是按 等面积补强法计算而得出的。
◆ 标准补强圈结构
根据内侧焊接坡口的不同，补强圈分为A、B、C、D、 E、F六种结构.
子任务四
一、开孔类型及对容器的影响 ◆ 开孔类型
开孔与补强
为了实现正常的操作和安装维修，需要在设备的筒体 和封头上开设各种孔。如物料进出口接管孔，安装安全 阀、压力表、液面计的开孔，为了容器内部零件的安装 和检修方便所开的人孔、手孔等。
◆ 开孔对容器的影响 ● 容器的整体强度削弱 ● 由于设备结构的连续性被破坏，使孔边局部区域内 出现应力集中。