开孔补强设计

开孔补强设计

文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）

H e f e i U n i v e r s i t y

《化工机械与设备》过程考核之三

——典型化工设备零件机械设计

题目：4MPa反应釜开孔补强零件设计

系别：化学材料与工程系

班级：09化工（4）

姓名：梅源

学号：

队别：Team 36

教师：胡科研

日期：2011-12-11

目录

1前言及概念

在日常的压力容器设计工作中，经常会遇到压力容器开孔补强问题。压力容器开孔以后，不仅整体强度受到削弱，而且还因开孔引起的应力集中造成开孔边缘局部的高应力，加上接管上有时还有其他的外载荷所产生的应力及热应力，而容器材料、以及开孔结构在制造和焊接过程中又不可避免地会形成缺陷和残余应力，开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位，于是开孔附近就往往成为压力容器的破坏源一一主要是疲劳破坏和脆性裂口。因此，按照GBl50-1998Ⅸ钢制压力容器》的规定，在压力容器设计过程中必须充分考虑开孔的补强问题。

开孔补强的适应范围和方法

(1)当其内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤1／2Di，且d≤520mm；当

其内径D≥1500mm时，开孔最大直径d≤l／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；

(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。

满足开孔条件时，可采用的三种补强方法

(1)补强圈补强

补强圈补强结构简单，制造方便，有一定的补强效果。但和其它补强结构相比，补强区较为分散，补强效果不佳，补强后的应力集中系数比较大。由于补强圈并未和壳体、接管形成整体，所以其抗疲劳性很差，一般常用于静压、常温下的中低压容器。对于缺口敏感性较高的低合金高强度钢制容器，采用此种补强结构时尤需慎重，高温、高压或承受变载荷的容器，则不宜采用此种补强形式。鉴于补强圈搭接结构会引起较大的局部应力，且高强度钢的淬硬性强，易产生焊接裂纹，故在超出GBl50—1998对其适用条件范围时，宜采用整锻件补强或整体加厚壳体补强。

(2)整锻件补强(包括用全焊透焊缝连接的厚壁管补强)

采用整锻件补强，所有补强区域集中在应力集中区，能有效地降低应力集中系数，故补强效果好。由于补强件和壳体、接管之间的焊接采用对接焊缝，焊接质量可保证，并使焊缝及热影响区离开最大应力点的位置，故抗疲劳性能好。常用于o S≥500MPa的容器开孔及在低温、高温或受交变载荷的大直径容器开孔。缺点是锻件供应困难，制造繁琐，成本较高，只在重要的设备中使用。采用厚壁管补强，接管的加厚部分处于最大的应为区域内，比补强圈更能有效地降低应力集中系数。这种形式结构简单，制造与检验都很方便，但必须保证全焊透焊接。对于低合金高强度钢，由于它比一般低碳钢有较高的缺口敏感性，所以一般都采用厚壁管补强型式。

(3)整体加厚壳体补强

整体加厚壳体补强结构是以增加整个简体或封头的壁厚来降低开孔附近的应力，其开孔补强计算可按等面积补强法进行计算。根据理论和实验分析，开孔后的应力集中现象有明显的局部性。当简体上开设排孔或封头上开孔较多时，一般采用整体加厚壳体补强。

开孔补强的目的 降低开孔接管处的应力峰值

因为容器的强度条件[]φσσ⋅≤t max

,所以应力峰值降低,设计时

[]t σ降低,n

δ

降低.

[]c t

i

c p D p -=

φσδ2

补强结构(补强元件类型) 1.4.1加强管补强

(1)结构：如下图1 即在开孔处焊接一段加厚的接管 (2)特点:环焊缝少.易探伤,结构简单 (3)适用范围:低合金钢,高压设备 1.4.2整体锻件补强 (1)结构:如下图2 (2)特点:

优点: 对焊,易探伤 抗疲劳性能好

缺点: 成本高,加工难 (3)适用范围:高压 重要设备

1.4.3加强圈的补强 ①结构: 如下图3 ②特点:

优点:简单,易加工,使用经验丰富 缺点:抗疲劳性能差,热应力大,K 大

. ③适用范围: ⎪⎩⎪

⎨⎧≤≤≤38

5.1540u n s MPa σδσσ补

壳体开孔的有关规定

1.5.1允许不补强时开的最大孔直径 ① P c ≤

②开孔中心距A>=两孔直径和的2倍. ③接管外径d 0≤89mm

④接管最小壁厚min σ满足表内要求. 1.5.2壳体上允许开的最大孔直径d max

(1)圆筒⎪

⎪⎩⎪⎪⎨

⎧

≤≤≤≤≤≤mm D d D mm D d D i

i i

i 10003150052021500max max 且时，且时，

(2)凸形封头与球壳的

2max i

D d ≤

(3)锥壳或锥形封头的

3max i

D d ≤

(D i 为开孔中心处的锥壳内径)

注:椭圆,碟形过度段部分开孔时,孔中心线垂直于封头表面. 等面积补强计算方法

1.6.1各国压力容器规范主要采用的准则(补强准则的种类) 因为补强的目的是降低开孔接管处的应力值,对这个应力值限制在什么范围内,就出现了各种补强准则.

(1)等面积补强准则 (2)极限分析法 (3)安定性理论

(4)其它方法: 实验屈服法、实验应力法等

1.6.2等面积补强的原则

在补强区(在邻近开孔处附近处)所加补强材料的截面积A 0应与开孔而失去的截面积A 相等.即A 0=A

其含义:在于补强壳壁的平均强度,用开孔等面积的外加金属来补强被削弱的壳壁强度.

1.6.3等面积补强计算方法 (1)判断是否要补强计算