壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)2023/3/30壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)1、容器開孔接管后在應(yīng)力分布與強(qiáng)度方面將的影響開孔后使承載截面減小，承載材料的削弱。破環(huán)了原有的應(yīng)力分布，造成孔邊緣局部的應(yīng)力集中。接管處容器殼體與接管形成不連續(xù)結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生邊緣應(yīng)力2、應(yīng)力集中系數(shù)若未開孔時(shí)的名義應(yīng)力為,開孔后按彈性方法計(jì)算出的最大應(yīng)力若為，則彈性應(yīng)力集中系數(shù)的定義為2壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)平板開小圓孔的應(yīng)力集中1、單向拉伸應(yīng)力作用孔邊應(yīng)力集中及局部性的特點(diǎn)3壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)平板開小圓孔的應(yīng)力集中2、兩向拉伸應(yīng)力作用，

結(jié)論：圓筒開孔應(yīng)力集中系數(shù)比球殼開孔應(yīng)力集中系數(shù)大4壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)平板開橢圓孔的應(yīng)力集中1、單向拉伸應(yīng)力作用5壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)平板開橢圓孔的應(yīng)力集中2、雙向拉伸應(yīng)力作用

當(dāng)相當(dāng)于在球殼上開橢圓孔

相當(dāng)于在圓柱殼上開橢圓孔橢圓孔的長軸與拉伸應(yīng)力的方向一致的方向一致

6壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)平板開橢圓孔的應(yīng)力集中2、雙向拉伸應(yīng)力作用

當(dāng)相當(dāng)于在球殼上開橢圓孔

相當(dāng)于在圓柱殼上開橢圓孔橢圓孔的長軸與拉伸應(yīng)力的方向垂直7壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)平板開橢圓孔的應(yīng)力集中1、幾點(diǎn)結(jié)論在球殼上開圓孔的應(yīng)力集中系數(shù)（）小于開橢圓孔的應(yīng)力集中系數(shù)（）在圓柱殼上開圓孔時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)（）若要開設(shè)橢圓孔，則應(yīng)使橢圓孔的長軸與殼體軸線垂直此時(shí)（）8壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)內(nèi)壓殼體開孔的應(yīng)力集中由于開孔后多焊有不同厚度的接管，應(yīng)力集中系數(shù)比較復(fù)雜，采用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測定相結(jié)合的辦法。當(dāng)越大，即開孔直徑越大時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)越高。相反，減小孔徑，增大殼壁厚度均可降低應(yīng)力集中系數(shù)。內(nèi)伸式接管的應(yīng)力集中系數(shù)較低，尤其是內(nèi)伸接管壁厚較厚時(shí)能有效地降低應(yīng)力集中。9壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)內(nèi)壓殼體開孔的應(yīng)力集中球殼帶平齊式接管的應(yīng)力集中系數(shù)過小或過大時(shí)上述曲線均會(huì)有較大的誤差

殼壁過厚，即過小時(shí)，應(yīng)力沿壁厚分布的不均勻性增大，應(yīng)力集中系數(shù)將明顯比圖示值減小10壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)內(nèi)壓殼體開孔的應(yīng)力集中球殼帶內(nèi)伸式接管的應(yīng)力集中系數(shù)11壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)開孔分析的幾點(diǎn)結(jié)論1、開孔的應(yīng)力集中區(qū)域?qū)儆诰植繎?yīng)力，衰減很快，作用范圍在量級(jí)。2、孔邊應(yīng)力最高，故在孔邊補(bǔ)強(qiáng)最有效。3、球殼上開孔的應(yīng)力集中小于柱殼上的應(yīng)力集中。球殼Kt=2圓柱殼Kt=2.54、在雙向應(yīng)力作用下,圓柱殼開孔邊緣經(jīng)向截面的應(yīng)力集中比周向截面的應(yīng)力集中大得多.12壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)壓力容器開孔的強(qiáng)度問題1、容器開孔對(duì)局部薄膜應(yīng)力的影響在壓力作用下,殼體內(nèi)存在著薄膜應(yīng)力.殼體開孔后使承載截面減小，使該截面的平均應(yīng)力增加,而且在開孔邊緣的應(yīng)力分布極為不均勻,隨著距離增加,應(yīng)力增加逐漸減少.在孔邊緣產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力稱為局部薄膜應(yīng)力.2、局部彎曲應(yīng)力接管和殼體在應(yīng)力作用下變形不一致,由于變形協(xié)調(diào),在相貫處產(chǎn)生一對(duì)剪力和彎矩,從而在殼體開孔邊緣和接管端部的局部彎曲應(yīng)力.13壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)容器開檢查孔的有關(guān)規(guī)定為檢查壓力容器在使用過程中是否產(chǎn)生裂紋、變形、腐蝕等缺陷，壓力容器應(yīng)開設(shè)檢查孔。檢查孔包括人孔和手孔.手孔應(yīng)開設(shè)在封頭上或封頭附近的筒體上(mm)檢查孔最少數(shù)量檢查孔最小尺寸(mm)備注人孔手孔300-500手孔2個(gè)Ф75或長圓孔75×50500-1000人孔1個(gè)或手孔2個(gè)(當(dāng)容器無法開人孔時(shí))Ф400或長圓孔400×250，380×280Ф100或長圓孔100×80>1000人孔1個(gè)或手孔2個(gè)(當(dāng)容器無法開人孔時(shí))Ф400或長圓孔400×250，380×280Ф150或長圓孔150×100球罐人孔最小500mm14壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)不需要補(bǔ)強(qiáng)的最大孔徑1、GBl50《鋼制壓力容器》對(duì)不需另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑的最新規(guī)定，當(dāng)殼體開孔滿足下述全部要求時(shí)可允許不需另行補(bǔ)強(qiáng)。（１）設(shè)計(jì)壓力小于或等于2.5MPa；（2）兩相鄰開孔中心的距離(對(duì)曲面間距以弧長計(jì)算)應(yīng)不小于兩孔直徑之和的兩倍；（3）接管公稱外徑小于或等于89mm；（4）接管最小壁厚滿足下表3-9的要求。接管公稱外徑253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0鋼材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值＞540MPa，接管與殼體宜采用全焊透的結(jié)構(gòu)型式。接管的腐蝕裕量為1mm。15壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)適用的開孔范圍殼體上開孔直徑越大，則開孔系數(shù)ρ越大，應(yīng)力集中系數(shù)也越大。因此，我國GB150《鋼制壓力容器》中對(duì)開孔直徑的最大值加以限制。（1）圓筒開孔的限制，當(dāng)內(nèi)徑Di≤1500mm時(shí)，開孔最大直徑d≤1/2Di，且d≤520mm；當(dāng)內(nèi)徑>1500mm時(shí)，開孔最大直徑d≤1/3Di，且d≤1000mm。（2）凸形封頭或球殼的開孔最大直徑d≤1/2Di。（3）錐殼（或錐形封頭）的開孔最大直徑d≤1/3Di，Di為開孔中心處的錐殼內(nèi)直徑。（4）在橢圓形或碟形封頭過渡部分開孔時(shí)，其孔的中心線宜垂直于封頭表面16壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)適用的開孔范圍殼體上開橢圓孔長短半軸之比小于2。理由：

等面積補(bǔ)強(qiáng)未計(jì)及開孔邊緣的應(yīng)力集中問題，僅就開孔截面的邊緣應(yīng)力進(jìn)行考慮，對(duì)開孔區(qū)局部高應(yīng)力的安定問題未加以考慮。

17壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等面積補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則認(rèn)為在有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，殼體除本身承受內(nèi)壓所需截面積外的多余截面積不應(yīng)少于開孔所減少的有效截面積極限分析補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則由于開孔只造成殼體的局部強(qiáng)度削弱，如果在某一壓力載荷下容器開孔處的某一區(qū)域其整個(gè)截面進(jìn)入塑性狀態(tài)，以至發(fā)生塑性流動(dòng)，此時(shí)的載荷便為極限載荷。以極限載荷為依據(jù)來進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即以大量的計(jì)算可以定出補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的尺寸要求，使其具有相同的應(yīng)力集中系數(shù)，這就是極限分析補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則18壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則安定性補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則它不涉及塑性分析方法而僅用彈性分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性應(yīng)力分析，但允許接管部位的應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度，從而局部材料會(huì)進(jìn)入塑性狀態(tài)，但控制該最大彈性虛擬應(yīng)力不得超過一定限度仍可保證安全。用(英國用)來限制開孔部位最大應(yīng)力值(按彈性分析得出的)的準(zhǔn)則稱為安定性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則19壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則-等面積補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則在有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，殼體除本身承受內(nèi)壓所需截面積外的多余截面積不應(yīng)少于開孔所減少的有效截面積。優(yōu)點(diǎn)：在一般情況下可以滿足開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的需要，方法簡便，且在工程上有很長的使用歷史和經(jīng)驗(yàn)。我國的容器標(biāo)準(zhǔn)主要采用了這一方法。缺點(diǎn)：等面積法忽視了開孔處應(yīng)力集中與開孔系數(shù)的影響，例如相同大小的孔，當(dāng)殼體直徑很大時(shí)較小，造成的強(qiáng)度削弱就少，反之殼體直徑很小時(shí)很大，造成的削弱也大。因此等面積法有時(shí)顯得富裕，有時(shí)顯得不足。20壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)1、局部補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)指另外在殼體開孔處的一定范圍內(nèi)增加補(bǔ)強(qiáng)元件或增大殼體壁厚、接管壁厚。如果將連接處的接管或殼體壁厚適當(dāng)加厚，上述局部地區(qū)的應(yīng)力集中在很大程度上得到緩和，應(yīng)力集中系數(shù)可以控制在所允許的范圍內(nèi)。2、整體補(bǔ)強(qiáng)

用增加整個(gè)殼體壁厚的辦法來降低開孔附近的應(yīng)力；由于開孔應(yīng)力集中的明顯局部性，在不大的范圍以外便恢復(fù)到正常的應(yīng)力值，故除了制造或結(jié)構(gòu)上的需要以外，一般并不需要把整個(gè)容器壁加厚。21壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)壓力容器開孔局部補(bǔ)強(qiáng)1、補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，有一定補(bǔ)償效果，故使用廣泛。但補(bǔ)強(qiáng)圈與殼壁之間存在著一層靜止空氣隙，傳熱效果較差，兩者溫差應(yīng)力較大，在補(bǔ)強(qiáng)的局部地區(qū)容易產(chǎn)生附加溫差應(yīng)力2、接管補(bǔ)強(qiáng)在開孔處焊上一段加厚的短管。接管的加厚部分，正處于最大應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，故能有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)。22壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)的原理將接管和殼體連接處及加強(qiáng)部分做成一個(gè)整體鍛件，然后再與接管和殼體焊在一起。其優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)強(qiáng)金屬集中于開孔應(yīng)力最大的部位，應(yīng)力集中系數(shù)最小。并且采用對(duì)接焊接接頭，使焊縫及其熱影響區(qū)離開最大應(yīng)力點(diǎn)的位置，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低10％～15％左右。3、整鍛件補(bǔ)強(qiáng)23壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的相關(guān)規(guī)定

補(bǔ)強(qiáng)圈厚度、標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度殼體厚度補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的存在的一些問題

搭接焊接存在氣隙、傳熱效果差，容易引起溫差應(yīng)力剛性變形大，角焊逢冷卻收縮起較大作用，容易在焊逢處產(chǎn)生裂紋，尤其對(duì)高強(qiáng)鋼淬硬性大，對(duì)焊接裂紋比較敏感?？蛊谀芰Σ?4壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算圓筒或球殼開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積由于應(yīng)力集中的局部性，等面積補(bǔ)強(qiáng)法認(rèn)為在圖3-17所示的WXYZ的矩形范圍內(nèi)實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)是有效的，超過此范圍實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)是沒有作用的有效寬度B有效高度H外側(cè)高度內(nèi)側(cè)高度25壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算圓筒或球殼開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積在有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)范圍內(nèi)，可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積—?dú)んw有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積

—接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積—焊縫金屬的截面積，mm2?？筛鶕?jù)角焊縫的具體尺寸計(jì)算確定

開孔后不需要另加補(bǔ)強(qiáng)開孔后需要另加補(bǔ)強(qiáng)26壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算其另加補(bǔ)強(qiáng)面積開孔后不需要另加補(bǔ)強(qiáng)開孔后需要另加補(bǔ)強(qiáng)27壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)圈選擇注意3、避免采用高強(qiáng)鋼。1、接管與殼體應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)。避免尖角過渡。2、焊縫應(yīng)進(jìn)行無損檢測4、不宜用于介質(zhì)對(duì)應(yīng)力的敏感場合避免用于脈動(dòng)載荷、蠕變場合28壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)舉例內(nèi)徑Di＝1800mm的圓柱形容器，采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，在封頭中心設(shè)置Φ159×4.5的內(nèi)平齊接。封頭名義厚度＝18mm，設(shè)計(jì)壓力p＝2.5MPa，設(shè)計(jì)溫度t＝150℃，接管外伸高度h1=200mm。封頭和補(bǔ)強(qiáng)圈材料為16MnR，其許用應(yīng)力=163MPa,接管材料為10號(hào)鋼，其許用應(yīng)力=108MPa。封頭和接管的厚度附加量均取2mm，液體靜壓力可以忽略。試作開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。29壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

開孔條件不另行補(bǔ)強(qiáng)條件否等面積補(bǔ)強(qiáng)法是1、計(jì)算開孔補(bǔ)強(qiáng)需要的面積A2、確定有效補(bǔ)強(qiáng)面積3、計(jì)算A1、A2、A3A1+A2+A3>A否按A-（A1+A2+A3）確定補(bǔ)強(qiáng)面積30壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)(1)補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法判別

①補(bǔ)強(qiáng)判別根據(jù)表3-9，允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑為Φ89mm。此開孔外徑等于159mm，故需考慮其補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。②補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法判別開孔直徑

本凸形封頭開孔直徑，滿足等面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用條件，故可用等面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。(2)開孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)截面積31壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)(2)開孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)截面積①封頭計(jì)算厚度由于在橢圓形封頭中心區(qū)域開孔，所以封頭的計(jì)算厚度按式(3-62)確定。因?yàn)橐后w靜壓力可以忽略，即；查表4-1可得，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭；又因開孔處焊接接頭系數(shù)故封頭計(jì)算厚度②開孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)截面積先計(jì)算強(qiáng)度削弱系數(shù)接管有效厚度為，即開孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)截面積32壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)（3）補(bǔ)強(qiáng)范圍①有效寬度②有效高度

外側(cè)高度：內(nèi)側(cè)高度：

33壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)（3）補(bǔ)強(qiáng)范圍(3)補(bǔ)強(qiáng)面積①殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積

②接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積接管計(jì)算厚度所以

34壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

③焊縫金屬的截面積（焊腳取8mm）因是內(nèi)平齊接管，所以（4