第十三章开孔补强与设备凸缘

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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。
3
一、开孔应力集中及应力集中系数
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
Kt

max
32
开孔削弱的截面积
33
三、等面积补强计算
(一)开孔削弱的截面积,指沿壳体纵向截面上的开孔投 影面积
A0 dT 2T (tn C)(1 fr )
3 10
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
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三、等面积补强计算
(三)补强区内补强金属面积A (Available areas for reinforcement)
(2)接管所需计算厚度之外的多余金属截面积A2 (Area of excess thickness in the nozzle wall )
,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
13
应力集中系数的计算

2
孔边沿r=a处: 0, max 3
2
5
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
r

(1 2
a2 r2
)
2
(1
4a2 r2

3a 4 r4
) cos


2
(1
Hale Waihona Puke Baidu
a2 r2
)

2
(1
3a 4 r4
Kt

3

0.5
9
容器开孔产生的应力集中呈现如下特点:
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(the stress decreases rapidly with the distance from the edge of the hole;
应力集中的情况和开孔的孔径与直径的相对尺寸d/D
di

Di 3
此处 D 为开孔中心处锥体的内直径
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2.开孔补强形式与结构
(1)补强形式 ●内加强平齐接管
将补强金属加在接管或壳体的内侧。
r
r
补强
补强
内加强平齐接管
24
●外加强平齐接管 将补强金属加在接管和壳体的外侧
补强 r
r 补强
外加强平齐接管
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●凸出接管对称加强 采用突出接管,接管的内伸端与外伸端同时加强形式
补强
补强
补强
只加强接管
只加强壳体
凸出接管(对c称)凸加出强接管对称加强
同时加强壳体与接管
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●密集补强形式 补强金属集中在接管与壳体的连接处
St0
补强 r4
ri
St0
补强 r3 r
4
ri
St0
补强
S0 S0 S0
密集补(强d)密集补强
开孔补强形式
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。
1.补强圈补强 优点:结构简单,制造方便 ,使用经验丰富。 缺点:补强区域分散,抗疲 劳性能差。 常用场合:中低压容器
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●nozzle reinforcement (接管补强结构)
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。
d
e
f
接管接管补补强强
) cos
2



2
(1
2a2 r2

3a 4 r4
) sin
2
2
3

2
应力集中系数Kt

3
3
6
(一)开孔的应力集中
2.薄壁球壳开小圆孔的应力集中
σ
σ max= 2 σ
σ
σθ
σγ
r
σ = p R/ 2T
θ
a
σ
图3-3 薄壁球壳开小圆孔的应力集中
孔边处r=a,max 2 , 应力集中系数 Kt 2
(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。
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●整锻件补强结构 将接管与壳体连同加强部分做成一整体锻件。
g
h
i
整锻件补强补结强构
(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。
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(2)补强结构 ● Reinforcement pad ( 贴板补强结构)
贴板补强
a
b
c
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
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二、开孔补强设计

成正比,开孔不宜过大;
应力集中和 δ/D 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。
10
11
应力集中对容器安全的影响
7
(一)开孔的应力集中
3.薄壁圆柱开小圆孔的应力集中
σ2
σ max= 2 σ
σθ σγ
r
σ1= pR/ T
θ
σ1
a
σ = p R/ 2T
图3-4 薄壁圆柱开小圆孔的应力集中
孔边处r=a, r

0,


3 2
cos 21,r

0
8
(一)开孔的应力集中
3 a2 r 2 (1 r 2
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二、开孔补强设计
(一)允许不另行补强的最大开孔直径 由于各种强度富余量的存在,开孔并非都要 补强。 a.不另行补强的最大孔径为
b.容器的dm设 计0.1压4力D小m于T 等于2.35Mp9a;
C.当壳体名义厚度大于12mm时,接管直径小 于或等于80mm,当壳体厚度小于12mm,接管 直径小于50mm。
与应力集中系数相关的两个 无因次参数为: (1)开孔系数ρ,反映了球 壳开孔的影响,值越大, 应力 集中系数越高。
rm Rm r
Rm T
RmT
式中rm和Rm分别为接管与
球壳的平均半径, T为球壳厚

(2)无因次量t/T,反映了接
管的影响。
球壳开孔带有平齐接管的应力集中系数
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(2)球壳开孔装有插入接管的应力集中系数
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。
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开孔补强设计的基本原则
当在容器开孔后,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3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。
第十二章 开孔补强与设备凸缘
第一节 开孔补强 第二节 设备凸缘
1
第一节 开孔补强
一、开孔应力集中及应力集中系数 二、开孔补强设计 三、等面积补强计算
2
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
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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Kt值; 在强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。
4
(一)开孔的应力集中
1.平板开小孔的应力集中
σ
σθ
σθ
r
σγ
σ
θ σθ
σ max=3σ
a
r 0
图3-2平板开小孔的应力集中
平板开孔的最大应力在孔边

2.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,按照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。
举例如下:
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(1)球壳上开孔装有平齐接管的应力集中系数
21
二、开孔补强设计
1.圆筒上开孔的限制
当内径 Di 1500 mm的容器
开孔最大直径
di

Di 2
当内径 Di 1500 mm的容器
开孔最大直径 di 1000

di

Di 3
mm
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二、开孔补强设计的要求
2.球壳或其他凸形封头上的最大开孔直径
di

Di 2
3.锥形封头上开孔的最大直径
1.应力指数法 仅适用于单个开孔接管。诸方向的应力中各有一最大值σ,该
值用应力指数k表示为
对于球壳和成型封头 K pDm
34
4tn
对于圆柱壳
K pDm 2tn
35
式中Dm为可的平均直径,p为内压,tn为公称厚度K是指所考虑 的各应力分量与容器在无开孔接管时的薄膜应力之比。
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壳体上开孔接管附近的应力集中系数计算


41 3
(1



1 4
(1
)
2
(1
4a2 r2

3a 4 r4
)
2 2
cos
a2 r2
)

1 4
(1

3a 4 r4
)
cos
2

2a2 r2

3a 4 r4
) sin
2
2
3

3
孔边经向处的应力集中系数
Kt

3

2.5
轴向截面的孔边 0和处的应力集中系数
34
三、等面积补强计算
(二)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。
35
三、等面积补强计算
(二)有效补强范围
补强区宽度:
B B

2d d
2Tn

2tn
两者中取大者
补强区外侧高度:h1
h1

接d管tn 实际外伸长度两者中取小者
补强区内侧高度: h2
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。
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(二)开孔并带有接管时的应力集中系数 以上仅在壳体上开孔,但是在实际中通常是还在开孔处有接管
上述应力集中系数有一定的适用条件。当 rm Rm
过 小个或适过用大条时件,为应:力集03.中001系RTRrmmm数150曲0.43线 7均会有较大的误差。两
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二、开孔补强设计
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。
31
开孔补强的设计准则
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不应少 于开孔所减少的有效截面积A0。即 A A0 通俗地讲:就是由于开孔,壳体承受应力所 必需的金属截面被消弱多少,就必须在开孔周 围的补强范围内补回同样面积的金属截面。
等面积补强法是世界各国延用已久的一种 经验设计方法。
球壳开孔带有插入接管的应力集中系数
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(三)应力集中系数的计算
2.球壳开孔接管处应力集中系数曲线
由图可知,当ρ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。另外,内伸式接管的应力集中系数较低 ,尤其当内伸接管管壁厚较厚时能有效的降低应力集中 和补强。
h2

接d管tn 区实际内伸长度两者中取小者
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三、等面积补强计算
(三)补强区内补强金属面积A (1)容器壳体设计厚度之外的多余金属截面 积A1 (Area of excess thickness in the vessel wall or shell wall)
A1 (B d)[(Tn T ) 2(tn C)(Tn T )(1 fr )] 3 14
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