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：

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⎝

⎛

-

+

-

=

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⎝

⎛

+

-

⎪⎪

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⎝

⎛

+

=

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⎫

⎝

⎛

+

-

+

⎪⎪

⎭

⎫

⎝

⎛

-

=

θ

σ

τ

θ

σ

σ

σ

θ

σ

σ

σ

θ

θ

2

sin

3

2

1

2

2

cos

3

1

2

1

2

2

cos

3

4

1

2

1

2

4

2

2

2

4

2

2

2

4

2

2

2

2

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：

σ

σ

σ

τ

π

θ

θ

θ

3

,0

max

2

=

=

=

±

=

r

应力集中系数：0.3

max=

=

σ

σ

t

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，σ

σ2

max

=, 应力集中系数0.2

max=

=

σ

σ

t

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

δ

σ

2

1

pD

=，

δ

σ

4

2

pD

=，如果开有小圆孔，则孔

边附近任意点的受力为：

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⎪⎪

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⎪⎪

⎭

⎫

⎝

⎛

-

+

-

=

⎪⎪

⎭

⎫

⎝

⎛

+

-

⎪⎪

⎭

⎫

⎝

⎛

+

=

⎪⎪

⎭

⎫

⎝

⎛

+

-

+

⎪⎪

⎭

⎫

⎝

⎛

-

=

θ

σ

τ

θ

σ

σ

σ

θ

σ

σ

σ

σ

θ

θ

2

sin

3

2

1

4

2

cos

3

1

4

1

4

3

2

cos

3

4

1

2

2

3

1

2

4

2

2

2

1

4

2

1

2

2

4

2

2

2

2

1

2

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

r1r

3

r=a,=0,=(-con2),=0

2

θθ

σσθστ。但是在孔边=

2

π

θ±处

θ

σ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

=0.5

θ

σσ，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围，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