開孔補強與設備凸緣

內(nèi)容概要第12章開孔補強與設備凸緣§1開孔補強§2設備凸緣返回一.容器開孔附近的應力集中（一）受拉平板上小孔邊緣處的應力分布

⒈開有小圓孔的平板（1）單向拉伸的平板如下圖所示:

小圓孔距板邊較遠,半徑為a。根據(jù)彈性力學理論推導出距孔心為ρ的點K的徑向應力σr,切向應力σθ和剪應力τrθ:返回在小孔邊緣,即ρ=a時:

即在小孔邊緣只有切向應力σθ,其分布很不均勻,如圖12-1。圖12-1

由公式可以看出,ρ增大,σr,

會逐漸增大,但不會超過q,而σθ則隨ρ值增加而迅速衰減,如圖:-

綜上所述，受單向拉力q的矩形平板，因開孔引起的最大拉應力出現(xiàn)在孔邊，作用在過孔心并與q力垂直的截面上。最大壓應力也出現(xiàn)在孔邊，作用在過孔心與q力平行的截面上。

（2）雙向拉伸的平板當兩向拉力不同時，在彈性變形范圍內(nèi)開孔附近應力可疊加求解。q1q22aγθ

若平板受雙向壓力，則可用單向受壓平板的上述結論分別計算q1和q2單獨作用時的應力值，然后進行疊加。如：當q1>q2時,可計算出最大切向應力在孔的邊緣處，其值為：

即最大應力總是在與較大的拉應力方向相垂直并通過孔心的截面上。當球殼直徑較大，q1=q2時在r=a的孔邊處σmax=σθ=2q，孔邊應力高于原離孔區(qū)附近的均勻應力一倍。(3)回轉殼體上開小圓孔在直徑較大的薄壁圓筒上開小圓孔，此時q1=2q2在r=a

處θ=0，π時，σθmax=q2;θ=±π/2時，σθmax=5q2。

σθmax比遠離孔口區(qū)域圓筒殼中的周向應力大2.5倍。由此可知，孔邊的應力遠大于無孔時的應力，也遠大于距孔邊稍遠處的應力，這種現(xiàn)象稱孔邊應力集中?？走厬惺蔷植楷F(xiàn)象，在幾倍孔徑以外，應力分布情況及數(shù)值大小都幾乎與無孔時相同。一般講，應力集中的程度越高，集中現(xiàn)象越是局部性的。⒉開有橢圓孔的平板abq1q1q2q2

開有橢圓孔的平板受單向拉伸(q2=0),長軸與受力方向平行時,短軸兩端切向應力最大,其值為:短軸與受力方方向平行時,長軸兩端切切向應力最大大,其值為:若平板受雙向向拉力,且q1>q2,則當長軸與q1平行時,最大大應力出現(xiàn)的的區(qū)域需通過過以下兩式計計算:在短軸兩端:在長軸兩端:當橢圓長軸與與較大外力q1方向垂直時,最大應力出出現(xiàn)在長軸兩兩端,其值為為:由此可見,最最不利的是使使橢圓的長軸軸與大的外力力方向垂直。。二、回轉殼體體上開小孔時時所造成的應應力集中以下討論有兩兩個前提:(一)孔的半半徑a相對于殼體的的曲率半徑R很小,殼體可可近似當作平板。(二)開孔處處未安裝接管管。若忽略殼體曲曲率的影響,則開小孔的的球殼可近似似看成開小孔孔受雙向拉伸伸的平板,且且(σ是球殼中的薄薄膜應力).⒈球殼上開小小圓孔于是,球殼上上小孔邊緣任任一點的環(huán)向向應力均為:球殼開孔邊緣緣上的最大切切向應力與該該球殼環(huán)向薄薄膜應力之比比稱為應力集中系數(shù)數(shù),用K表示:⒉圓柱殼體上上開小圓孔若忽略圓柱曲曲率影響(當當a/R較小時),則則可把圓柱殼殼看成雙向受受拉平板,且且q1=σθ,q2=σm?？走叺淖畲髴獞Τ霈F(xiàn)在孔中心線所在在的殼體縱向向截面上,其值為:應力集中系數(shù)數(shù)(邊緣地區(qū)區(qū)最大應力與與周向薄膜應應力之比):可見，圓柱形殼體上上開孔的應力力集中系數(shù)比比球形殼體的的大，而且球殼上的的薄膜應力比比筒體的軸向向薄膜應力小小一半（當二二者壁厚相等等時),因因此,具有有球形封頭的的壓力容器，，若需開孔時，，應盡量開在在封頭上。對于球殼:σθ=σm,所以不論橢圓圓孔的方向如如何:⒊殼體上開小橢橢圓孔當接管的軸線線方向和殼體體開孔中心點點的法線方向向不一致時，，殼體上需開開橢圓孔。可見無論是球球殼還是圓柱柱殼，如果接接管的方向不不垂直于殼體體，將使孔邊邊應力集中系系數(shù)增大。對于圓柱殼:σθ=2σm,如果橢圓孔的的長軸與殼體體軸線平行,則:（二）容器接接管附近的應應力集中當容器上開孔孔較大,開孔孔后安裝接管管時,就必須須考慮殼體自自身的曲率半半徑及接管對對開孔邊緣處處應力集中的的影響。為方便使用，，通常把各種種不同尺寸的的開孔接管附附近的應力峰峰值，根據(jù)理理論計算或通通過實驗實測測出來，然后后以應力集中中系數(shù)的形式式繪成曲線（（舊教材圖12-12，，12-13）。曲線的的橫坐標ρ稱為開孔系數(shù)數(shù)式中:r-開孔半徑(接接管半徑,中中徑)R-殼體半徑(中中徑)r/R-接管尺寸(即即開孔)的相相對大小R/δ與殼體剛度有有關,殼體剛剛度越差,接接管直徑越大大時,則開孔孔系數(shù)ρ一般也越大。。ρ越大,應力集集中越嚴重。。從兩組曲線還還可看出,增加接管壁厚厚可減小應力力集中程度。上述曲線對開開孔大小的限限制范圍是:對殼體壁厚的的限制范圍是是:壓力容器的殼殼體與接管都都是用塑性良良好的鋼材制制造的。(1)若容器器內(nèi)介質壓力力平穩(wěn)，接管管開孔邊緣處處的應力峰值值對容器的安安全使用不會會產(chǎn)生太大影影響。(2)若容器器內(nèi)的壓力有有較大波動或呈周期性變化（頻繁開,停停車），則器器壁內(nèi)的應力力也跟著變化化。處于應力集中中區(qū)內(nèi)的金屬屬易產(chǎn)生疲勞破壞,應保證其根部部金屬在工作作時處于安定定狀態(tài):。返回（一）、補強強結構常用的局部補補強形式有三三種：補強圈圈補強，加強強管補強，整整鍛件補強。。見下圖:二.補強設設計結構及計計算⒈補強圈補強強：缺點:與另外兩種補補強結構相比比,補強后應應力集中系數(shù)數(shù)偏高;易易引起溫差應應力;補強強搭接焊縫抗抗疲勞性能差差。故其只適用于于靜載,常溫溫低壓容器上上,且有如下下限制:①補強圈鋼板板的常溫抗拉拉強度σb<504MPa。②補強圈厚度不不應超過殼體體名義壁厚的的1.5倍,且不大于38mm。優(yōu)點:結構簡單,制造容易,有一定補強強效果是在開孔周圍圍一定范圍內(nèi)內(nèi)緊靠接管貼貼焊一塊補強強圈。補強圈圈的材料一般般與殼體相同同。⒉加強管補強強:即在開孔處焊焊一加厚接管管。優(yōu)點:補強結構簡單單，焊縫少，，焊接質量容容易檢驗。缺點是焊縫處于最最大應力區(qū)域域內(nèi)。⒊鍛件補強強:將接管與殼體體連同加強部部分做成一個個整件鍛件，，然后再與殼殼體和接管焊焊在一起。優(yōu)點:補強金屬集中中于開孔應力力最大的部位位，應力集中中系數(shù)小;且且焊縫及其其熱影響區(qū)都都可設計得遠遠離最大應力力點位置，所所以抗疲勞性性能好。用途:用在有嚴格要要求的設備上上.規(guī)定：補強金屬在通通過開孔中心心線的縱截面面上的正投影影面積As,必須等于或大大于殼體由于于開孔而在這這個縱截面上上所削弱的正正投影面積A。等面積補強所所適用的孔徑徑是有限制的的,可查有關關規(guī)定。（二）補強計計算1.補強圈的的補強計算-----等面積補強強含義：恢復殼壁的平平均厚度。依據(jù)：等面積補強原原則。圖.補強范圍圍首先確定補強強區(qū)的有效范范圍:有效寬度:取B=2d和B=d+2δn+2δnt兩者中較大值值.<d為開孔直徑,d=di+2Ct,Ct為接管壁厚附附加量,Ct=Ct1+Ct2>有效高度:①外側高度h1=接管實際外伸伸高度②內(nèi)側高度h2=接管實際內(nèi)伸伸高度取較小值取較小值（1）補強范范圍(見上上圖)補強計算步驟驟為：實際開孔直徑徑:（2）補強金屬面積積計算原則:補強的的金屬截面必必須等于或大大于開孔減去去的面積。①殼體因開開孔削弱所所要求的補補強面積為為A:含義:開孔孔削去的金金屬面積。a.承受內(nèi)壓的的回轉殼體體開孔時,A=d?δ0式中δ0按（10-9）或（（10-13）公式式計算。b.平板封頭上上開孔時:A=0.5d?δ0式中:c.承受外壓的的回轉殼體體上開孔時時:式中:fr-強度削弱系系數(shù),當fr>1時,取fr=1,該系數(shù)主要要考慮管壁壁金屬截面面補償殼壁壁金屬截面面所引起承承壓能力上上的差別。A1-殼體或封頭頭承受內(nèi)(外)壓所所需厚度δ0及壁厚附加加量C兩者之外的的多余金屬屬截面:A1=(B-d)(δe-δ0)A2-接管承受內(nèi)內(nèi)(外)壓壓所需厚度度δt和壁厚附加加量Ct(內(nèi)伸時還包包括Ct2)兩者之外的的多余金屬屬截面。A2=[2h1(δet-δt)+2h2(δet-Ct2)]frA3-補強區(qū)內(nèi)的的焊縫金屬屬截面積(焊縫截面面指角焊縫縫或組合焊焊縫中角焊焊縫的那一一部分),按等腰直直角三角形形計算。②有效補強強范圍內(nèi),能起補補強作用的的金屬面積積有:（3）判定定是否需另另加補強截截面(貼焊焊補強圈):若A1+A2+A3≥A,則開孔不需需補強。若A1+A2+A3<A,則需另加補補強圈,其其面積:As=A-(A1+A2+A3)As為補強圈應應提供的最最小補強截截面。若補強圈內(nèi)內(nèi)徑為d1,外徑為d2,則補強圈所所需最小厚厚度為:補強圈尺寸寸可查表12-1。例1:某某廠有一設設備,內(nèi)直直徑Di=2400mm,封頭為標準準橢圓形封封頭,壁厚厚δn=20mm,封頭中央有有一ф273ⅹ8的平齊接管管,開孔不不過封頭焊焊縫,已知知設計壓力力p=2MPa,設計溫度t=100oC,設備材料為為16MnR,接管為Q235-A,封頭壁厚附附加量C=4mm,管子附加量Ct=2mm,試做開孔補補強設計,并驗算孔孔邊應力。解:一.補強設計計δδn⒈強度計算算壁厚:按表11-2標準橢圓形形封頭16MnR在100oC時的[σ]t=163MPaQ235-A在100oC時的[σ]t=113MPa接管計算壁壁厚:⒉按等面積法法進行補強強計算⑴開孔削弱弱的器壁面面積A開孔直徑∴⑵補強范圍圍:⑶多余截面面積:封頭殼壁:接管:焊縫金屬截截面積:取取焊角高度度最小值6mm,按等腰直角角三角形計計算:A3=1/2××6×6××2=36mm2⑸補強圈厚厚度及其外外徑:參照表12-1,對對ф273的管子選擇擇補強圈外外徑D0=480mm，內(nèi)徑d=277mm，故補強圈厚厚度為:取補強圈厚厚度計算時比較較有效補強強區(qū)內(nèi)的兩兩種厚度，，δS和[δs]。（1）開孔孔處殼體需要補強的當量厚度δSδS=δ0－（δe－δ0）=δ0－（δn－c－δδ0）=2δ0－δn＋c式中：δe——殼殼體的有效效厚度δ0——開孔孔被被挖挖掉掉的的承承受受壓壓力力所所必必須須的的厚厚度度。。δS———需要要另另外外補補加加的的厚厚度度，，由由補補強強管管在在補補強有有效效區(qū)區(qū)內(nèi)內(nèi)的的補補強強厚厚度度提提供供。。2.補補強強管管補補強強（（HGJ527－－90））當補補強強管管的的許許用用應應力力[σ]T＜殼體體材材料料的的許許用用應應力力[σ]時，，δS=2δδ0－δn＋c／／fr式中中fr=[σ]T／[σ]δ0的計計算算同同前前。。（2））補補強強管管可可以以提提供供補補強強用用的的當當量量厚厚度度[δS]任何何一一個個補補強強管管，，當當它它的的尺尺寸寸、、材材質質、、工工作作條條件件（（p、t、c2）確確定定以以后后，，在在有有效效范范圍圍內(nèi)內(nèi)，，它它能能提提供供的的補補強強面面積積AS可以以計計算算，，并并可可把把AS轉化化為為可可以以與與δS比較較的的[δδS]補強強管管結結構構見見教教材材P332，，不同同直直徑徑和和厚厚度度補補強強管管的的有有效效厚厚度度和和許許用用當當量量厚厚度度可可查查表表12-2~12-3。補強強管管厚厚度度明明顯顯大大于于普普通通接接管管，，多多出出來來的的厚厚度度作作為為補補強強。。但但每每種種尺尺寸寸的的接接管管究究竟竟提提供供多多達達的的補補強強厚厚度度[δδS]則須須將將下下列列因因素素考考慮慮進進去去1）補補強強區(qū)區(qū)的的有有效效高高度度h0，按按表表中中所所示示，，[δδS]是按按這這些些h0確定定的的2）補強強管管的的設設計計壓壓力力p，壓壓力力越越大大補補強強管管能能提提供供的的補補強強厚厚度度越越小小，，所所以以確確定定[δδS]時應應給給出出補補強強管管的的設設計計壓壓力力3)補強強管管材材料料的的許許用用應應力力越越大大，，其其提提供供的的[δδS]越大大。。因為為在在同同樣樣尺尺寸寸，，同同樣樣壓壓力力下下，，補補強強管管承承壓壓所所需需要要的的厚厚度度隨隨許許用用應應力力的的增增大大而而減減小小按以以上上規(guī)規(guī)定定，，補補強強管管許許用用壓壓力力取取120MPa，設設計計壓壓力力取取0.4、1.0、1.6、2.5、4.0和6.4（MPa）六六個個等等級級所所得得[δδS]列于于12-4當實實際際補補強強管管的的設設計計壓壓力力不不同同于于上上述述情情況況，，許許用用應應力力不不等等于于120MPa，則則按按下下式式處處理理：：pD=120p/[σ]T所以以查查表表12-4時，，應應先先對對壓壓力力進進行行修修正正，，再再查查[δδS]（3）補補強強形形式式與與尺尺寸寸的的確確定定借助助于于表表12-4，具具體體過過程程見見例例題題12-1（P335）（三）整整鍛件補補強這種結構構相當于于把補強強圈周圍圍金屬與與開孔周周圍金屬屬融合在在一起，，用一個個整體鍛鍛件來承承受并減減小開孔孔附近應應力集中中的高應應力。若采用密密集補強強形式并并加大過過渡圓弧弧半徑，，則補強強效果更更好。三.容容器開孔孔及補強強的有關關規(guī)定1.開孔孔尺寸的的限制筒體和封封頭上開開孔的允允許最大大直徑2.開孔孔位置的的限制（1）在在橢圓形形或碟形形封頭上上開孔時時,開孔孔的邊緣緣(如果果有補強強圈則指指補強圈圈外徑邊邊緣)距距封頭周周邊的最最小投影影距離不不得小于于0.1Di(Di是封頭的的內(nèi)直徑徑)。（2）開開孔應盡盡量避開開焊縫,如果必必須在焊焊縫上開開孔時,則對以以開孔中中心為圓圓心,以以1.5倍開孔孔直徑為為半徑的的圓中所所包容的的焊縫必必須進行行100%的探探傷。4.允許不另另行補強強的條件件和規(guī)定定允許不另另行補強強的接管管外徑與與最小壁壁厚(mm)結束3、在橢圓圓形碟形形封頭上上過度部部分開孔孔時，其其孔德中中心線位位于封頭頭上表面面。1）設計壓壓力不大大于2.5MPa2）兩相鄰鄰開孔中中心距小小于兩孔孔直徑之之和的兩兩倍3）接管公公稱外徑徑小于或或等于89mm4）接管外外徑和最最小壁厚厚符合下下表規(guī)定定§設備凸凸緣凸緣又稱稱凸出接接口，當當接管長長度必須須很短時時，可用用凸緣代代替接管管。凸緣種類類法蘭凸緣緣管螺紋凸凸緣一.法蘭蘭凸緣法蘭凸緣緣的結構構見圖12—10。凸緣與容容器的連連接方式式有A型和B型兩種，，見圖。。凸緣的優(yōu)優(yōu)點：具有開孔孔補強作作用，不不須另行行補強。。缺點：螺螺栓折斷斷在螺栓栓孔時，，取出困困難。凸緣常與與管配用用法蘭，，其連接接尺寸和和密封面面形式應應與管法法蘭一致致。法蘭凸緣緣的最大大允許工工作壓力力取決于于所有材材料和工工作溫度度，見表12——9。。二.管管螺紋紋凸緣緣常用于于安裝裝測量量儀表表，其其最大大外徑徑不超超過85mm，一般般多是是40mm左右，，與殼殼體的的連接接與插插入式式接管管相同同9、靜夜夜四無無鄰，，荒居居舊業(yè)業(yè)貧。。。12月月-2212月月-22Thursday,December8,202210、雨中黃黃葉樹，，燈下白白頭人。。。14:53:4314:53:4314:5312/8/20222:53:43PM11、以我獨沈沈久，愧君君相見頻。。。12月-2214:53:4414:53Dec-2208-Dec-2212、故人江海海別，幾度度隔山川。。。14:53:4414:53:4414:53Thursday,December8,202213、乍見見翻疑疑夢，，相悲悲各問問年。。。12月月-2212月月-2214:53:4414:53:44December8,202214、他鄉(xiāng)生白發(fā)發(fā)，舊國見青青山。。08十二月月20222:53:44下午14:53:4412月-2215、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。十二月222:53下下午12月-2214:53December8,202216、行動出成成果，工作作出財富。。。2022/12/814:53:4414:53:4408December202217、做前，能能夠環(huán)視四四周；做時時，你只能能或者最好好沿著以腳腳為起點的的射線向前前。。2:53:44下下午2:53下下午14:53:4412月-229、沒沒有有失失敗敗，，只只有有暫暫時時停停止止成成功功??！。。12月月-2212月月-22Thursday,December8,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有結結果果，，但但是是不不努努力力卻卻什什么么改改變變也也沒沒有有。。。。14:53:4414:53:4414:5312/8/20222:53:44PM11、成功就是日日復一日那一一點點小小努努力的積累。。。12月-2214:53:4414:53Dec-2208-Dec-2212、世間成事，，不求其絕對對圓滿，留一一份不足，可可得無限完美美。。14:53:4414:53:4414:53Thursday,December8,202213、不知香積積寺，數(shù)里里入云峰。。。12月-2212月-2214:53:4414:53:44December8,202214、意志堅強強的人能把把世界放在在手中像泥泥塊一樣任任意揉捏。。08十二二月20222:53:44下下午14:53:4412月-2215、楚塞三三湘接，，荊門九九派通。。。。十二月222:53下午午12月-2214