壓力容器設(shè)計開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計

4.34.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計4.壓力容器設(shè)計CHAPTERⅣDesignofPressureVessel1壓力容器開孔2壓力容器開孔3開孔帶來的問題削弱器壁的強(qiáng)度產(chǎn)生高的局部應(yīng)力4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計mmnn壓力容器的輕型化發(fā)展使其顯得越加嚴(yán)重！4開孔接管根部應(yīng)力集中的特點(diǎn)應(yīng)力集中的范圍是很有限的d/D越大，應(yīng)力集中越嚴(yán)重δ/D越小，應(yīng)力集中越嚴(yán)重增大接管壁厚，可減小應(yīng)力集中球殼上開孔的應(yīng)力集中小于柱殼上開孔的應(yīng)力集中5應(yīng)力集中對容器安全使用的影響

應(yīng)力集中局部塑性變形疲勞裂紋破裂交變載荷6一、補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部補(bǔ)強(qiáng)整體補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)整鍛件補(bǔ)強(qiáng)4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計7（1）補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)：補(bǔ)強(qiáng)圈貼焊在殼體與接管連接處，見（a）圖。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，使用經(jīng)驗豐富；圖4-37（a）缺點(diǎn)：1）與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，在中溫以上使用時，存在較大熱膨脹差，在補(bǔ)強(qiáng)局部區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；2）與殼體采用搭接連接，難以與殼體形成整體，抗疲勞性能差。4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計8一般使用在：靜載、常溫、中低壓、材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度低于540MPa、補(bǔ)強(qiáng)圈厚度小于或等于1.5δn、殼體名義厚度δn不大38mm的場合。應(yīng)用：HG21506-92《補(bǔ)強(qiáng)圈》，JB/T4736-95《補(bǔ)強(qiáng)圈》標(biāo)準(zhǔn)：4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計9（2）厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)：在開孔處焊上一段厚壁接管，見（b）圖。特點(diǎn)：補(bǔ)強(qiáng)處于最大應(yīng)力區(qū)域，能更有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)。接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡單，焊縫少，焊接質(zhì)量容易檢驗，補(bǔ)強(qiáng)效果較好。圖4-37（b）高強(qiáng)度低合金鋼制壓力容器由于材料缺口敏感性較高，一般都采用該結(jié)構(gòu)，但必須保證焊縫全熔透。應(yīng)用：4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計10圖4-37（c）（3）整鍛件補(bǔ)強(qiáng)整體鍛件4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計11補(bǔ)強(qiáng)金屬集中于開孔應(yīng)力最大部位，能最有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)；可采用對接焊縫，并使焊縫及其熱影響區(qū)離開最大應(yīng)力點(diǎn)，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低10～15%。重要壓力容器，如核容器、材料屈服點(diǎn)在500MPa以上的容器開孔及受低溫、高溫、疲勞載荷容器的大直徑開孔容器等。結(jié)構(gòu)：將接管和部分殼體連同補(bǔ)強(qiáng)部分做成整體鍛件，再與殼體和接管焊接，見（c）圖。優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：鍛件供應(yīng)困難，制造成本較高。應(yīng)用：4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計12二、開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計準(zhǔn)則指采取適當(dāng)增加殼體或接管厚度的方法將應(yīng)力集中系數(shù)減小到某一允許數(shù)值。開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計：開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計準(zhǔn)則彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則——等面積補(bǔ)強(qiáng)法塑性失效準(zhǔn)則—極限分析法4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計13（1）等面積補(bǔ)強(qiáng)定義：殼體因開孔被削弱的承載面積，須有補(bǔ)強(qiáng)材料在離孔邊一定距離范圍內(nèi)予以等面積補(bǔ)償。原理：以雙向受拉伸的無限大平板上開有小孔時孔邊的應(yīng)力集中作為理論基礎(chǔ)的，即僅考慮殼體中存在的拉伸薄膜應(yīng)力，且以補(bǔ)強(qiáng)殼體的一次應(yīng)力強(qiáng)度作為設(shè)計準(zhǔn)則。故對小直徑的開孔安全可靠。問題：沒有考慮開孔處應(yīng)力集中的影響，沒有計入容器直徑變化的影響，補(bǔ)強(qiáng)后對不同接管會得到不同的應(yīng)力集中系數(shù)，即安全裕量不同，因此有時顯得富裕，有時顯得不足。優(yōu)點(diǎn)：長期實踐經(jīng)驗，簡單易行，當(dāng)開孔較大時，只要對其開孔尺寸和形狀等予以一定的配套限制，在一般壓力容器使用條件下能夠保證安全，因此不少國家的容器設(shè)計規(guī)范主要采用該方法，如ASMEⅧ-1和GB150等。4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計14帶有某種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的接管與殼體發(fā)生塑性失效時的極限壓力和無接管時的殼體極限壓力基本相同。（2）極限分析補(bǔ)強(qiáng)定義：4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計15焊接接頭系數(shù)小于1但開孔位置不在焊縫上等等三、允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑強(qiáng)度裕量接管和殼體實際厚度大于強(qiáng)度需要的厚度接管根部有填角焊縫上述因素相當(dāng)于對殼體進(jìn)行了局部加強(qiáng)，降低了薄膜應(yīng)力從而也降低了開孔處的最大應(yīng)力。因此，對于滿足一定條件的開孔接管，可以不予補(bǔ)強(qiáng)。4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計16四、等面積補(bǔ)強(qiáng)計算GB150對開孔范圍的要求：主要用于補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計算開孔部位允許開孔孔徑筒體Di≤1500mm：d≤Di/2，且不大于520mm；Di>1500mm：d≤Di/3，且不大于1000mm凸形封頭d≤Di/2平板形封頭d≤Di/2錐形封頭d≤Di/3注：此處的Di是指開孔中心處錐體內(nèi)直徑（1）對開孔直徑的限制17（2）在橢圓封頭或碟形封頭過渡部分開孔時，其孔的中心線宜垂直于封頭表面（3）盡量不在焊縫上開孔，如果避不開必須在焊縫上開孔時，則在開孔中心為圓心，以1.5倍開孔直徑為半徑的圓中所包容的焊縫，必須進(jìn)行100%的探傷。3d100%探傷18在一定范圍內(nèi)能起補(bǔ)強(qiáng)作用，除了此范圍，則起不到補(bǔ)強(qiáng)作用。有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)：矩形WXYZ，見圖4-38。圖4-38（3）有效補(bǔ)強(qiáng)范圍4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計19有效寬度B：按式（4-79）計算，取二者中較大值B=2dB=d+2δn+2δnt（4-79）式中B—補(bǔ)強(qiáng)有效寬度，mm；δn—?dú)んw開孔處的名義厚度，mm；δnt—接管名義厚度，mm。4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計20內(nèi)外側(cè)有效高度：按式（4-80）和式（4-81）計算，分別取式中較小值外側(cè)高度

（4-80）h1=接管實際外伸高度（4-81）

h2=接管實際內(nèi)伸高度內(nèi)側(cè)高度4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計21（4-82）（4-83）

有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)WXYZ范圍內(nèi)，可作為有效補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積有以下幾部分：(4)補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)金屬面積Ae①A1—?dú)んw有效厚度減去計算厚度之外的多余面積。

②A2—接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積。④A4—有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)另外再增加的補(bǔ)強(qiáng)元件的金屬截面積。③A3—有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)焊縫金屬的截面積。4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計224.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計23

式中Ae—有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)另加的補(bǔ)強(qiáng)面積，mm2；（也可以說是強(qiáng)度裕量）

δe—?dú)んw開孔處的有效厚度，mm；δt—接管計算厚度，mm。若Ae=A1+A2+A3≥A則開孔后不需要另行補(bǔ)強(qiáng)。若Ae=A1+A2+A3＜A則開孔需要另外補(bǔ)強(qiáng)，所增加的補(bǔ)強(qiáng)金屬截面積A4應(yīng)滿足

A4≥A-Ae

(4-84)4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計24

補(bǔ)強(qiáng)材料一般需與殼體材料相同，若補(bǔ)強(qiáng)材料許用應(yīng)力小于殼體材料許用應(yīng)力，則補(bǔ)強(qiáng)面積按殼體材料與補(bǔ)強(qiáng)材料許用應(yīng)力之比而增加。若補(bǔ)強(qiáng)材料許用應(yīng)力大于殼體材料許用應(yīng)力，則所需補(bǔ)強(qiáng)面積不得減少。要求：孔周邊會出現(xiàn)較大的局部應(yīng)力，采用分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法和壓力面積法等方法進(jìn)行分析計算。大開孔補(bǔ)強(qiáng)：

《GB150-1998鋼制壓力容器》第78頁至第81頁多個開孔補(bǔ)強(qiáng)：4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計25開孔所需最小補(bǔ)強(qiáng)面積主要由dδ確定，當(dāng)在內(nèi)壓橢圓形封頭或內(nèi)壓碟形封頭上開孔時，則應(yīng)區(qū)分不同的開孔位置取不同的計算厚度。五、接管方位

橢圓形封頭：開孔位于以橢圓形封頭中心為中心80%封頭內(nèi)直徑的范圍內(nèi)：中心部位可視為當(dāng)量半徑Ri=K1Di的球殼，（4-85）式中，K1為橢圓形長短軸比值決定的系數(shù)，由表4-5查得。標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭：K1＝0.94.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計26

在80%以外開孔：δ按橢圓形封頭的厚度計算式（4-45）計算，開孔位于封頭球面部分內(nèi)：取式（4-49）中的碟形封頭形狀系數(shù)M=1，碟形封頭：（4-86）4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計27此范圍之外：δ按碟形封頭的厚度計算式（4-49）計算，

非徑向接管：盡可能采用徑向接管。原因：圓筒或封頭上須開橢圓形孔，應(yīng)力集中系數(shù)增大，抗疲勞失效的能力降低。若橢圓孔的長軸和短軸之比不超過2.5，一般仍采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法。非徑向接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)計算：4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計28第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理第二節(jié)活塞式空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和自動控制第三節(jié)活塞式空壓機(jī)的管理復(fù)習(xí)思考題單擊此處輸入你的副標(biāo)題，文字是您思想的提煉，為了最終演示發(fā)布的良好效果，請盡量言簡意賅的闡述觀點(diǎn)。第六章活塞式空氣壓縮機(jī)

piston-aircompressor壓縮空氣在船舶上的應(yīng)用：

1.主機(jī)的啟動、換向；

2.輔機(jī)的啟動；

3.為氣動裝置提供氣源；

4.為氣動工具提供氣源；

5.吹洗零部件和濾器。

排氣量:單位時間內(nèi)所排送的相當(dāng)?shù)谝患壩鼩鉅顟B(tài)的空氣體積。單位：m3/s、m3/min、m3/h第六章活塞式空氣壓縮機(jī)

piston-aircompressor空壓機(jī)分類：按排氣壓力分：低壓0.2～1.0MPa；中壓1～10MPa；高壓10～100MPa。按排氣量分：微型<1m3/min；小型1～10m3/min；中型10～100m3/min；大型>100m3/min。第六章活塞式空氣壓縮機(jī)

piston-aircompressor第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理容積式壓縮機(jī)按結(jié)構(gòu)分為兩大類：往復(fù)式與旋轉(zhuǎn)式兩級活塞式壓縮機(jī)單級活塞壓縮機(jī)活塞式壓縮機(jī)膜片式壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片式壓縮機(jī)最長的使用壽命-

----低轉(zhuǎn)速（1460RPM），動件少（軸承與滑片），潤滑油在機(jī)件間形成保護(hù)膜，防止磨損及泄漏，使空壓機(jī)能夠安靜有效運(yùn)作；平時有按規(guī)定做例行保養(yǎng)的JAGUAR滑片式空壓機(jī)，至今使用十萬小時以上，依然完好如初，按十萬小時相當(dāng)于每日以十小時運(yùn)作計算，可長達(dá)33年之久。因此，將滑片式空壓機(jī)比喻為一部終身機(jī)器實不為過?；?葉)片式空壓機(jī)可以365天連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)并保證60000小時以上安全運(yùn)轉(zhuǎn)的空氣壓縮機(jī)1.進(jìn)氣2.開始壓縮3.壓縮中4.排氣1.轉(zhuǎn)子及機(jī)殼間成為壓縮空間，當(dāng)轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動時，空氣由機(jī)體進(jìn)氣端進(jìn)入。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動使被吸入的空氣轉(zhuǎn)至機(jī)殼與轉(zhuǎn)子間氣密范圍，同時停止進(jìn)氣。3.轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動，氣密范圍變小，空氣被壓縮。4.被壓縮的空氣壓力升高達(dá)到額定的壓力后由排氣端排出進(jìn)入油氣分離器內(nèi)。4.被壓縮的空氣壓力升高達(dá)到額定的壓力后由排氣端排出進(jìn)入油氣分離器內(nèi)。1.進(jìn)氣2.開始壓縮3.壓縮中4.排氣1.凸凹轉(zhuǎn)子及機(jī)殼間成為壓縮空間，當(dāng)轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動時，空氣由機(jī)體進(jìn)氣端進(jìn)入。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動使被吸入的空氣轉(zhuǎn)至機(jī)殼與轉(zhuǎn)子間氣密范圍，同時停止進(jìn)氣。3.轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動，氣密范圍變小，空氣被壓縮。螺桿式氣體壓縮機(jī)是世界上最先進(jìn)、緊湊型、堅實、運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，是值得信賴的氣體壓縮機(jī)。螺桿式壓縮機(jī)氣路系統(tǒng)：

A

進(jìn)氣過濾器

B

空氣進(jìn)氣閥

C

壓縮機(jī)主機(jī)

D

單向閥

E

空氣/油分離器

F

最小壓力閥

G

后冷卻器

H

帶自動疏水器的水分離器油路系統(tǒng)：

J

油箱

K

恒溫旁通閥

L

油冷卻器

M

油過濾器

N

回油閥

O

斷油閥冷凍系統(tǒng)：

P

冷凍壓縮機(jī)

Q

冷凝器

R

熱交換器

S

旁通系統(tǒng)

T

空氣出口過濾器螺桿式壓縮機(jī)渦旋式壓縮機(jī)

渦旋式壓縮機(jī)是20世紀(jì)90年代末期開發(fā)并問世的高科技壓縮機(jī)，由于結(jié)構(gòu)簡單、零件少、效率高、可靠性好，尤其是其低噪聲、長壽命等諸方面大大優(yōu)于其它型式的壓縮機(jī)，已經(jīng)得到壓縮機(jī)行業(yè)的關(guān)注和公認(rèn)。被譽(yù)為“環(huán)保型壓縮機(jī)”。由于渦旋式壓縮機(jī)的獨(dú)特設(shè)計，使其成為當(dāng)今世界最節(jié)能壓縮機(jī)。渦旋式壓縮機(jī)主要運(yùn)動件渦卷付，只有磨合沒有磨損，因而壽命更長，被譽(yù)為免維修壓縮機(jī)。

由于渦旋式壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、振動小、工作環(huán)境安靜，又被譽(yù)為“超靜壓縮機(jī)”。

渦旋式壓縮機(jī)零部件少，只有四個運(yùn)動部件,壓縮機(jī)工作腔由相運(yùn)動渦卷付形成多個相互封閉的鐮形工作腔，當(dāng)動渦卷作平動運(yùn)動時，使鐮形工作腔由大變小而達(dá)到壓縮和排出壓縮空氣的目的?；钊娇諝鈮嚎s機(jī)的外形第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理一、理論工作循環(huán)（單級壓縮）工作循環(huán)：4—1—2—34—1吸氣過程

1—2壓縮過程

2—3排氣過程第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理一、理論工作循環(huán)（單級壓縮）

壓縮分類：絕熱壓縮：1—2耗功最大等溫壓縮：1—2''耗功最小多變壓縮：1—2'耗功居中功＝P×V（PV圖上的面積）加強(qiáng)對氣缸的冷卻，省功、對氣缸潤滑有益。二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）1.不存在假設(shè)條件2.與理論循環(huán)不同的原因：1）余隙容積Vc的影響Vc不利的影響—?dú)埓娴臍怏w在活塞回行時，發(fā)生膨脹，使實際吸氣行程（容積）減小。Vc有利的好處—

（1）形成氣墊，利于活塞回行；（2）避免“液擊”（空氣結(jié)露）；（3）避免活塞、連桿熱膨脹，松動發(fā)生相撞。第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理表征Vc的參數(shù)—相對容積C、容積系數(shù)λv合適的C：低壓0.07-0.12

中壓0.09-0.14

高壓0.11-0.16

λv＝0.65—0.901）余隙容積Vc的影響C越大或壓力比越高，則λv越小。保證Vc正常的措施：余隙高度見表6-1壓鉛法—保證要求的氣缸墊厚度2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理2）進(jìn)排氣閥及流道阻力的影響吸氣過程壓力損失使排氣量減少程度，用壓力系數(shù)λp表示：保證措施：合適的氣閥升程及彈簧彈力、管路圓滑暢通、濾器干凈。λp

（0.90-0.98）2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理3）吸氣預(yù)熱的影響由于壓縮過程中機(jī)件吸熱，所以在吸氣過程中，機(jī)件放熱使吸入的氣體溫度升高，使吸氣的比容減小，造成吸氣量下降。預(yù)熱損失用溫度系數(shù)λt來衡量（0.90-0.95）。保證措施：加強(qiáng)對氣缸、氣缸蓋的冷卻，防止水垢和油污的形成。2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理4）漏泄的影響內(nèi)漏：排氣閥（回漏）；外漏：吸氣閥、活塞環(huán)、氣缸墊。漏泄損失用氣密系數(shù)λl來衡量（0.90-0.98）。保證措施：氣閥的嚴(yán)密閉合，氣缸與活塞、氣缸與缸蓋等部件的嚴(yán)密配合。5）氣體流動慣性的影響當(dāng)吸氣管中的氣流慣性方向與活塞吸氣行程相反時，造成氣缸壓力較低，氣體比容增大，吸氣量下降。保證措施：合理的設(shè)計進(jìn)氣管長度，不得隨意增減進(jìn)氣管的長度，保證濾器的清潔。2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理上述五條原因使實際與理論循環(huán)不同。4）漏泄的影響5）氣體流動慣性的影響1）余隙容積Vc的影響2）進(jìn)排氣閥及流道阻力的影響3）吸氣預(yù)熱的影響2.與理論循環(huán)不同的原因：二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理3.排氣量和輸氣系數(shù)理論排氣量Vt----單位時間內(nèi)活塞所掃過的氣缸容積。實際排氣量Q：Q=Vt

λ輸氣系數(shù)λ

：λ＝λtλv

λ

pλl漏泄的影響余隙容積Vc的影響進(jìn)排氣閥及流道阻力的影響吸氣預(yù)熱的影響二、實際工作循環(huán)（單級壓縮）第一節(jié)活塞式空壓機(jī)的工作原理