压力容器设计开孔和开孔补强设计

14.压力容器设计压力容器设计2压力容器开孔3压力容器开孔4开孔带来的问题开孔带来的问题削弱器壁的强度削弱器壁的强度产生高的局部应力产生高的局部应力4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计mmnn压力容器的轻型化压力容器的轻型化发展使其显得越加发展使其显得越加严重！严重！5开孔接管根部应力集中的特点l 应力集中的范围是很有限的应力集中的范围是很有限的l d/D越大，应力集中越严重越大，应力集中越严重l/D越小，应力集中越严重越小，应力集中越严重l 增大接管壁厚，可减小应力集中增大接管壁厚，可减小应力集中l 球壳上开孔的应力集中小于柱壳上开孔的应力集中球壳上开孔的应力集中小于柱壳上开孔的应力集中6应力集中对容器安全使用的影响 应力集中应力集中局部局部塑性塑性变形变形疲劳裂纹疲劳裂纹破裂破裂交变交变载荷载荷7一、补强结构一、补强结构 补强结构补强结构局部补强局部补强整体补强整体补强补强圈补强补强圈补强厚壁接管补强厚壁接管补强整锻件补强整锻件补强4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计8（1）补强圈补强）补强圈补强结构：结构：补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见（补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见（a）图。）图。优点：优点：结构简单，制造方便，使用经验丰富；结构简单，制造方便，使用经验丰富；图4-37（a）缺点：缺点：1）与壳体金属之间不能完全）与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以贴合，传热效果差，在中温以上使用时，存在较大热膨胀差，上使用时，存在较大热膨胀差，在补强局部区域产生较大的热在补强局部区域产生较大的热应力；应力；2）与壳体采用搭接连接，难）与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，抗疲劳性以与壳体形成整体，抗疲劳性能差。能差。4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计9一般使用在：一般使用在：静载、常温、中低压、静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于材料的标准抗拉强度低于540MPa、补强圈厚度小于或等于补强圈厚度小于或等于1.5n、壳体名义厚度壳体名义厚度n不大不大38mm的场合。的场合。应用：应用：HG21506-92补强圈补强圈，JB/T4736-95补强圈补强圈标准：标准：4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计10（2）厚壁接管补强）厚壁接管补强结构：结构：在开孔处焊上一段厚壁接管，见（在开孔处焊上一段厚壁接管，见（b）图。）图。特点：特点：补强处于最大应力区域，能更有效地降低补强处于最大应力区域，能更有效地降低。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验，补强效果较好。检验，补强效果较好。图4-37（b）制压力制压力容器由于材料缺口敏感容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该性较高，一般都采用该结构，但必须保证结构，但必须保证。应用：应用：4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计11图4-37（c）（3）整锻件补强）整锻件补强 整体锻件4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计12补强金属集中于开孔应力补强金属集中于开孔应力最大部位最大部位，能最有效地降低，能最有效地降低应力集中系数；应力集中系数；可采用对接焊缝可采用对接焊缝，并使焊缝及其热影，并使焊缝及其热影响区离开最大应力点，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降响区离开最大应力点，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降低低1015%。重要压力容器，如核容器、材料屈服点在重要压力容器，如核容器、材料屈服点在500MPa以以上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大直径开孔容器等。直径开孔容器等。结构：结构：将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接，见（壳体和接管焊接，见（c）图。）图。优点：优点：缺点：缺点：锻件供应困难，制造成本较高。锻件供应困难，制造成本较高。应用：应用：4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计13二、开孔补强设计准则二、开孔补强设计准则 指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数减小到某一允许数值。力集中系数减小到某一允许数值。开孔补强设计：开孔补强设计：开孔补强设计准则开孔补强设计准则弹性失效设计准则弹性失效设计准则等面积补强法等面积补强法塑性失效准则塑性失效准则极限分析法极限分析法4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计14（1）等面积补强）等面积补强 壳体因开孔被壳体因开孔被削弱的承载面积，须削弱的承载面积，须有补强材料在离孔边有补强材料在离孔边一定距离范围内予以一定距离范围内予以等面积补偿。等面积补偿。以双向受拉伸的无限以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，应力集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在的拉伸即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则。一次应力强度作为设计准则。故对小直径的开孔安全可靠。故对小直径的开孔安全可靠。没有考虑开孔处没有考虑开孔处应力集中应力集中的的影响，没有计入影响，没有计入容器直径变化容器直径变化的影的影响，补强后对不同接管会得到不同响，补强后对不同接管会得到不同的应力集中系数，即安全裕量不同，的应力集中系数，即安全裕量不同，因此有时显得富裕，有时显得不足因此有时显得富裕，有时显得不足。长期实践经验，简单易长期实践经验，简单易行，当开孔较大时，只要对其行，当开孔较大时，只要对其开孔尺寸和形状等予以一定的开孔尺寸和形状等予以一定的配套限制，在一般压力容器使配套限制，在一般压力容器使用条件下能够保证安全，因此用条件下能够保证安全，因此不少国家的容器设计规范主要不少国家的容器设计规范主要采用该方法，如采用该方法，如ASME-1和和GB150等。等。4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计15带有某种补强结构的接管与壳体发生塑性失效时的极带有某种补强结构的接管与壳体发生塑性失效时的极限压力和无接管时的壳体极限压力基本相同。限压力和无接管时的壳体极限压力基本相同。（2）极限分析补强）极限分析补强 定义：定义：4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计16焊接接头系数小于焊接接头系数小于1但开孔位置不在焊缝上等等但开孔位置不在焊缝上等等三、允许不另行补强的最大开孔直径三、允许不另行补强的最大开孔直径 强度裕量强度裕量接管和壳体实际厚度大于强度需要的厚度接管和壳体实际厚度大于强度需要的厚度接管根部有填角焊缝接管根部有填角焊缝上述因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从上述因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力。因此，对于满足一定条件的而也降低了开孔处的最大应力。因此，对于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强。开孔接管，可以不予补强。4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计17四、等面积补强计算四、等面积补强计算GB150对开孔范围的要求：对开孔范围的要求：主要用于补强圈结构的补强计算主要用于补强圈结构的补强计算开孔部位开孔部位允许开孔孔径允许开孔孔径筒体筒体Di1500mm：d Di/2，且不大于520mm；Di1500mm：d Di/3，且不大于1000mm凸形封头凸形封头d Di/2平板形封头平板形封头d Di/2锥形封头锥形封头d Di/3注：此处的Di是指开孔中心处锥体内直径（1 1）对开孔直径的限制）对开孔直径的限制18（2 2）在椭圆封头或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心）在椭圆封头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线宜垂直于封头表面（3 3）尽量不在焊缝上开孔，如果避不开必须在焊缝上开孔）尽量不在焊缝上开孔，如果避不开必须在焊缝上开孔时，则在开孔中心为圆心，以时，则在开孔中心为圆心，以1.51.5倍开孔直径为半径的圆倍开孔直径为半径的圆中所包容的焊缝，必须进行中所包容的焊缝，必须进行100%100%的探伤。的探伤。3d100%探伤探伤19在一定范围内能起补强作用，除了此范围，则起不到补强作用。有效补强区：矩形WXYZ，见图4-38。图4-38（3）有效补强范围）有效补强范围4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计20有效宽度B：按式（4-79）计算，取二者中较大值B=2dB=d+2n+2nt（4-79）式中 B补强有效宽度，mm；n壳体开孔处的名义厚度，mm；nt接管名义厚度，mm。4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计21内外侧有效高度：内外侧有效高度：按式（4-80）和式（4-81）计算，分别取式中较小值分别取式中较小值外侧高度外侧高度 （4-80）nt1dhh1=接管实际外伸高度（4-81）nt2dh h2=接管实际内伸高度 内侧高度内侧高度4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计22（4-82）（4-83）有效补强区WXYZ范围内，可作为有效补强的金属面积有以下几部分：(4)补强范围内补强金属面积补强范围内补强金属面积AeA1壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。)f1)(2)(dB(Areete1 r2et2rtet12f)C(h2f)(h2A A2接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。A4有效补强区内另外再增加的补强元件的金属截面积。有效补强区内另外再增加的补强元件的金属截面积。A3有效补强区内焊缝金属的截面积。有效补强区内焊缝金属的截面积。4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计234.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计24 式中 Ae有效补强范围内另加的补强面积，mm2；（也可以说是强度裕量）e壳体开孔处的有效厚度，mm；t接管计算厚度，mm。则开孔后不需要另行补强。则开孔需要另外补强，所增加的补强金属截面积A4应满足 A4A-Ae (4-84)4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计25 补强材料一般需与壳体材料相同，若补强材料许用应力补强材料一般需与壳体材料相同，若补强材料许用应力小于壳体材料许用应力，则补强面积按壳体材料与补强小于壳体材料许用应力，则补强面积按壳体材料与补强材料许用应力之比而增加。若补强材料许用应力大于壳材料许用应力之比而增加。若补强材料许用应力大于壳体材料许用应力，则所需补强面积不得减少。体材料许用应力，则所需补强面积不得减少。要求：要求：孔周边会出现较大的局部应力，采用分析孔周边会出现较大的局部应力，采用分析设计标准中规定的方法和压力面积法等方设计标准中规定的方法和压力面积法等方法进行分析计算。法进行分析计算。大开孔补强：大开孔补强：GB150-1998钢制压力容器钢制压力容器第第78页至第页至第81页页多个开孔补强：多个开孔补强：4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计26开孔所需最小补强面积主要由开孔所需最小补强面积主要由d确定，当在内压椭圆形封头确定，当在内压椭圆形封头或内压碟形封头上开孔时，则应区分不同的开孔位置取不同或内压碟形封头上开孔时，则应区分不同的开孔位置取不同的计算厚度。的计算厚度。五、接管方位接管方位 椭圆形封头：椭圆形封头：开孔位于以椭圆形封头中心为中心开孔位于以椭圆形封头中心为中心80%封头内封头内直径的范围内：直径的范围内：中心部位可视为当量半径中心部位可视为当量半径Ri=K1Di的球壳，的球壳，cti1cp5.0 2DKp（4-85）式中，式中，K1为椭圆形长短轴比值决定的系数，由表为椭圆形长短轴比值决定的系数，由表4-5查得。查得。标准椭圆封头：K10.94.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计27 cticp5.0 2DKp在在80%以外开孔：以外开孔：按椭圆形封头的厚度计算式（按椭圆形封头的厚度计算式（4-45）计算，）计算，开孔位于封头球面部分内：开孔位于封头球面部分内：取式（取式（4-49）中的碟形封头形状系数）中的碟形封头形状系数M=1，碟形封头：碟形封头：cticp5.0 2Rp（4-86）4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计28此范围之外：按碟形封头的厚度计算式（4-49）计算，cticp5.0 2RMp 非径向接管：非径向接管：尽可能采用径向接管。原因：原因：圆筒或封头上须开椭圆形孔，应力集中系数增大，抗疲劳失效的能力降低。若椭圆孔的长轴和短轴之比不超过2.5，一般仍采用等面积补强法。非径向接管的开孔补强计算：非径向接管的开孔补强计算：4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计