开孔补强

当
相当于在球壳上开椭圆孔
A
1 2 2
相当于在圆柱壳上开椭圆孔
max A (0.5
2a ) b
2a ) b b B ( 0.5) a
max A
2a b
A ( 0.5
Kt
max
15
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
(mm) 检查孔最少数 量 手孔2个 人孔1个或手孔 2个(当容器无法 开人孔时) Ф 400或长 圆孔 400×250， 380×280
9
平板开椭圆孔的应力集中
2、双向拉伸应力作用（2）
2a ) 2 b 2b B 1 2 (1 ) a
椭圆孔的长轴与拉伸应力的 1 方向垂直
A 1 (1
1 2
2a b 2b B a
24
开孔补强结构
1、局部补强结构
指另外在壳体开孔处的一定范围内增加补强元 件或增大壳体壁厚、接管壁厚。 如果将连接处的 接管或壳体壁厚适当加厚，上述局部地区的应力 集中在很大程度上得到缓和，应力集中系数可以 控制在所允许的范围内。
2、整体补强 •用增加整个壳体壁厚的办法来降低开孔附近的应 力；由于开孔应力集中的明显局部性，在不大的范 围以外便恢复到正常的应力值，故除了制造或结构 上的需要以外，一般并不需要把整个容器壁加厚。
27
补强圈结构的补强计算
补强圈补强的相关规定 补强圈厚度≤1.5δn 标准抗拉强度σb ≤540MPa 壳体厚度≤38mm
max 3 1 2 Kt 1 1
，
1 2
max 3 1 2 Kt 2 1 1
Kt
1
2
1 2
max 3 0.5 2.5 1
结论：圆筒开孔应力集中系数比球壳开孔应力集中系数大
5
平板开小圆孔的应力集中
25
压力容器开孔局部补强
1、补强圈补强
补强圈补强结构简单，易于制造，有一定补偿 效果，故使用广泛。但补强圈与壳壁之间存在着 一层静止空气隙，传热效果较差，两者温差应力 较大，在补强的局部地区容易产生附加温差应力
2、接管补强
•在开孔处焊上一段加厚的短管。接管的加厚部 分，正处于最大应力区域内，故能有效地降低应 力集中系数。
22
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 3[ ] (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
2
第一强度理论（最大主应力理论）
材料无论在什么状态下，当三个主应力中 有一个在简单拉伸或压缩时发生的破坏的数值 时，材料便认为是已经破坏了。
1 [ ]
对于内压薄壁容器的回转壳体，周向应力 经向应力

即为第一主应力，经向应力

为第二主应力
另一个主应力是径向应力
r
3
平板开小圆孔的应力集中
接管公称 外径 最小壁厚 25 32 3.5 38 45 4.0 48 57 5.0 65 76 6.0 89
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 18 的腐蚀裕量为1mm。
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。
•在圆柱壳上开圆孔时的应力集中系数（K t
2.5 ）
•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（1.5 K t 2.5 ）
11
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。 r R r

m m
Rm

（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
19
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。等面积补强的理论依据是无限大 平板上开小圆孔的孔边应力分析作为依据。但实际 接管是位于壳体上而不是在平板上，壳体总存在一定 的曲率。为减少实际应力集中系数与理论分析结果之间 的差异，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。
max A (1
max (1
Kt
2a ) b 1 2a 5 b
8
2 Kt 3
3 Kt 5
平板开椭圆孔的应力集中
2、双向拉伸应力作用（1）
2b ) 2 a 2a B 1 2 (1 ) b
23
开孔补强的设计准则-等面积补强准则
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。
优点：在一般情况下可以满足开孔补强设计的需要，方 法简便，且在工程上有很长的使用历史和经验。我国的 容器标准主要采用了这一方法。
b
缺点：等面积法忽视了开孔处应力集中与开孔系数的影 响，例如相同大小的孔，当壳体直径很大时 较小，造成 的强度削弱就少，反之壳体直径很小时 很大，造成的削 弱也大。因此等面积法有时显得富裕，有时显得不足。
1、单向拉伸应力作用
A 3 B
max A 3
孔边应力集中及 局部性的特点
max 3 Kt 3
4
平板开小圆孔的应力集中
2、两向拉伸应力作用
1 2
A 3 1 2 B 3 2 1
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 R 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.
14
压力容器开孔的强度问题
26
压力容器开孔补强的原理
3、整锻件补强
将接管和壳体连接处及加强部分 做成一个整体锻件，然后再与接管 和壳体焊在一起。其优点是补强金 属集中于开孔应力最大的部位，应 力集中系数最小。并且采用对接焊 接接头，使焊缝及其热影响区离开 最大应力点的位臵，抗疲劳性能好， 疲劳寿命只降低10％～15％左右。
（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； d为接管内直径加两倍厚度附加 量（开圆孔时）。 当内径 >1500mm时，开孔最大直径d≤ 1/3Di ，且d≤1000mm。 （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。
Kt
2b ) a a B ( 0.5) b
A ( 0.5
max A (0.5
2b ) a
2 Kt 4
max
2b (0.5 ) a 0.5 2b a1.5Fra bibliotek K t 2.5
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
•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. 二次应力
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
，
6
平板开小圆孔的应力集中
，
7
平板开椭圆孔的应力集中
1、单向拉伸应力作用
椭圆孔的长轴与拉伸应力的 1 方向垂直
A (1 B
2b ) a
A (1 B
2a ) b
2a ) b
2b max A (1 ) a 2b (1 ) a 1 2b K t max a
2a 2a b b
Kt
2 Kt 4
max
2a (0.5 ) b 0.5 2a b
2.5 K t 4.5
10
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（K t 2）小于开 椭圆孔的应力集中系数（ 2 K t 4 ）
20
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。
21
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
椭圆孔的长轴与拉伸应力的 1 方向一致
A 1 (1
1 2
2b a 2a B b
当
相当于在球壳上开椭圆孔
A
的方向一致
1 2 2
相当于在圆柱壳上开椭圆孔
Kt
max
2a 2a b b
b
17
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；
b
•（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。
检查孔最小尺寸(mm)
人 孔 手 孔 Ф 75或长 圆孔 75×50 Ф 100或 长圆孔 100×80
备 注
300-500
500-1000
>1000
人孔1个或手孔 2个(当容器无法 开人孔时)
Ф 400或长 圆孔 400×250， 380×280
Ф 150或 长圆孔 150×100
球罐人孔 最小 500mm
压力容器开孔及补强设计
1
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 max ，则弹性应力集中系数 的定义为 Kt max

m
Rm
•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。
12
内压壳体开孔的应力集中
球壳带平齐式接管 的应力集中系数
球壳带内伸式接管 的应力集中系数
13
开孔分析的几点结论
16
不需要补强的最大孔径
由于压力容器存在各种强度裕量，例如接管和壳体实际厚度 往往大于强度所需要的厚度，接管根部有填角焊缝；焊接接 头系数小于1而开孔位臵不在焊缝上。 这些因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜 应力从而降低了开孔处的最大应力。 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。