压力容器的开孔与补强

压力容器的开孔与补强
本章重点内容及对学生的要求：
回转壳体上开小孔造成的应力集中；
开孔补强的原则、补强结构和补强运算；
不另行补强的要求；
GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。

第一节 容器开孔邻近的应力集中
1、 有关概念
（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阻碍：
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，开孔后按弹性方法运算出的最大应力为σmax ，则弹性应力集中系数为： σσmax =
t K （1） 压力容器设计中关于开孔咨询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。

2、平板开小孔的应力集中
Fig. 1 Variation in stress in a plate containing a circular hole and su bjected to uniform tension
设有一个尺寸专门大的巨型薄平板，开有一个圆孔，其小圆孔的应力集中咨询题能够利用弹性力学的方法进行求解。

承担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，孔邻近的应力重量为： ⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=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，球壳受双向平均拉伸应力作用时，孔边邻近任意点的受力为：
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，则孔边邻近任意点的受力为： ⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=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 h ole
孔边处r 1r 3r=a,=0,=(-con2),=02θθσσθστ。

然而在孔边=2π
θ±处θσ最大，
孔边处径向截面处的应力集中系数Kt ＝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=0.5θσσ，此处应力系数Kt ＝0.5，比径向截面的
应力集中系数小得多。

其他情形，例如开椭圆孔以及排孔等情形详见国标规定。

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出现如下的特点：
最大应力在孔边，是应力集中最严峻的地点；
应力集中具有局部性，其范畴也是极为有限的；
应力集中的情形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；因此增大开孔四周壳体的壁厚，则能够极大
/
改善应力集中的情形，因此在开孔周围一定的范畴内，采纳焊接补强圈的方法。

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；因此在可能的情形下，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阻碍
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，对容器的安全使用可不能有太大的阻碍；
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显现反复的塑性变形，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
以上讨论的是仅在壳体上开孔，然而在实际中通常是还在开孔处有接管，开孔处因为接管与壳体在内压作用下发生变形和谐而导致不连续应力显现。

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阻碍也需要考虑。

Fig. 4 Deformation and internal forces in the opening of sphere shell
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，按理论运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按照：
●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。

第二节 容器的开孔补强
开孔部分的应力集中将引起壳体局部的强度削弱，若开孔专门小并有接管，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。

一样容器只要通过补强将应力集中系数降低到一定的范畴即可。

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。

通过补强后的接管区能够使应力集中系数降低，但不能排除应力集中。

1、开孔补强的差不多原则
当在容器开孔后，由于各种强度富余量的存在，开孔并非都要补强。

而在孔周围不需要进行补强的规定，称为开孔补强设计的差不多原则。

（1）承诺不补强开孔的缘故
●应力集中的局部性缘故，按照顾力集中的局部性特点，开孔邻近的峰值应力，可不能产生壳体的整体屈服；
●当应力集中系数小于时，开孔邻近除疲劳断裂外，不产生一样的强度破坏；
●容器有效壁厚，是在运算壁厚值加上壁厚附加量，按商品钢板系列的圆整值。

一样大于强度值的要求，从整体上得到了加大。

●在壁厚运算公式中，焊缝系数一样小于1， 在规定中，明确指出，开孔不承诺在焊缝阻碍区内，则认为开孔区的强度承载能力高于焊缝区。

（2）承诺不另行补强的最大开孔直径
a.不另行补强的最大孔径为
δm m D d 14.0≤
（d）密集补强开孔补强形式
以上四类补强形式，从补强的成效，即补强所附加金属起到的实际作用，实践证明了密集补强成效最好。

对称凸出接管列第二，外加大最差。

3、补强结构
（1）贴板补强结构
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样与壳体相同。

a b （2）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。

（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。

d e f
（3）整锻件补强结构：将接管于壳体连同加大部分做成一整体锻件。

接管补强
（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。

焊缝及热阻碍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。

g h i
4、开孔补强的设计准则
补强结构
（1）等面积补强准则
该方法认为在有效的补强范畴内，壳体处本身承担内压所需截面积外的余外截面积A许多于开孔所减少的有效截面积A0。

等面积补强法是世界各国延用已久的一种体会设计方法。

开孔削弱的截面积，指沿壳体纵向截面上的开孔投影面积。

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运算所需的运算厚度。

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
有效补强范畴：等面积补强法认为在右图中的WXYZ的矩形范畴内补强是有效的。

补强区内补强金属面积A
(a)容器壳体设计厚度之外的余外金属截面积：A1筒体或封头，承担内压或外压所需的厚度和壁厚附加量之外剩余的金属面积。

A1＝（B-d）[(S-C)-So]，C—壁厚附加量
式中Tn，tn分不为壳体及接管的名义厚度
T为容器壳体的运算厚度
C为接管的壁厚附加量
fr为材料的强度削弱系数
（b）接管所需运算厚度之外的余外金属截面积：A2 接管承担内压或外压所需厚度和壁厚附加量两者之外余外的金属面积。

A2＝2h1(St-Sto-C)+2h2(St-C1-C2)
式中：t－为接管按内压或外压运算所需的运算厚度；C2－为接管的腐蚀附加量。

（c）在有效补强区内焊缝金属的截面积。

（d）在有效补强区内另加的补强元件的截面积。

若A1+A2+A3≥A，开孔不需要补强
A1+A2+A3 <A，开孔需要补强
则A4≥A-(A1+A2+A3)
A4—补强金属截面积。

（2）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，以至发生塑性流淌，现在的载荷便为极限载荷。

利用塑性力学方法对带有整体补强的开孔补强结构求解出塑性失效的极限载荷。

以极限载荷为依据来进行补强结构设计，即以大量的运算能够定出补强结构的尺寸要求，使其具有相同的应力集中系数。

（3）开孔补强的其他咨询题
以上是壳体上单个开孔的等面积补强方法，工程上有时还会碰到并联开孔的情形，如果各相邻孔之间的空心距离小于两孔平均直径的两倍，则这些相邻孔能够不再以单孔运算，而应作并联孔处理。

另外还有开排孔、平板盖开孔的情形，其补强设计方法可按照压力容器标准中第六章的相应规定进行。

关于成型封头开孔大小超过时D/2，也超出了等面积补强的规定适用范畴，现在可采纳“变径段”作过渡。

【摸索题】
（1）开孔补强的方法有几种？
（2）等面积补强法承诺的开孔范畴是多大？
（3）大开孔应采纳哪种补强方式？
（4）什么缘故压力容器壳体上开孔尺寸较小时可不另行补强？。