压力容器设计 开孔和开孔补强设计

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1、4.3常规设计4.3.5开孔和开孔补强设计4.压力容器设计CHAPTERⅣDesignofPressureVessel1压力容器开孔2压力容器开孔3开孔带来的问题削弱器壁的强度产生高的局部应力4.3.5开孔和开孔补强设计mmnn压力容器的轻型化发展使其显得越加严重！4开孔接管根部应力集中的特点应力集中的范围是很有限的d/D越大，应力集中越严重δ/D越小，应力集中越严重增大接管壁厚，可减小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5应力集中对容器安全使用的影响应力集中局部塑性变形疲劳裂纹破裂交变载荷6一

2、、补强结构补强结构局部补强整体补强补强圈补强厚壁接管补强整锻件补强4.3.5开孔和开孔补强设计7（1）补强圈补强结构：补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见（a）图。优点：结构简单，制造方便，使用经验丰富；图4-37（a）缺点：1）与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，存在较大热膨胀差，在补强局部区域产生较大的热应力；2）与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，抗疲劳性能差。4.3.5开孔和开孔补强设计8一般使用在：静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于540MPa、补强圈厚度小于或等于1.5

3、δn、壳体名义厚度δn不大38mm的场合。应用：HG21506-92《补强圈》，JB/T4736-95《补强圈》标准：4.3.5开孔和开孔补强设计9（2）厚壁接管补强结构：在开孔处焊上一段厚壁接管，见（b）图。特点：补强处于最大应力区域，能更有效地降低应力集中系数。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。图4-37（b）高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该结构，但必须保证焊缝全熔透。应用：4.3.5开孔和开孔补强设计10图4-37（c）（3）整锻件补强整体锻件4.3.5

4、开孔和开孔补强设计11补强金属集中于开孔应力最大部位，能最有效地降低应力集中系数；可采用对接焊缝，并使焊缝及其热影响区离开最大应力点，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降低10～15%。重要压力容器，如核容器、材料屈服点在500MPa以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。结构：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（c）图。优点：缺点：锻件供应困难，制造成本较高。应用：4.3.5开孔和开孔补强设计12二、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力集中系数减小

5、到某一允许数值。开孔补强设计：开孔补强设计准则弹性失效设计准则——等面积补强法塑性失效准则—极限分析法4.3.5开孔和开孔补强设计13（1）等面积补强定义：壳体因开孔被削弱的承载面积，须有补强材料在离孔边一定距离范围内予以等面积补偿。原理：以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则。故对小直径的开孔安全可靠。问题：没有考虑开孔处应力集中的影响，没有计入容器直径变化的影响，补强后对不同接管会得到不同的应力集中系数，即安

6、全裕量不同，因此有时显得富裕，有时显得不足。优点：长期实践经验，简单易行，当开孔较大时，只要对其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采用该方法，如ASMEⅧ-1和GB150等。4.3.5开孔和开孔补强设计14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。（2）极限分析补强定义：4.3.5开孔和开孔补强设计15焊接接头系数小于1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强度裕量接管和壳体实际厚

7、度大于强度需要的厚度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。4.3.5开孔和开孔补强设计16四、等面积补强计算GB150对开孔范围的要求：主要用于补强圈结构的补强计算开孔部位允许开孔孔径筒体Di≤1500mm：d≤Di/2，且不大于520mm；Di>1500mm：d≤Di/3，且不大于1000mm凸形封头d≤Di/2平板形封头d≤Di/2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）对开孔

8、直径的限制17（2）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（3）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1.5倍开孔直径为半径的圆中所包容的焊缝，必须进行100%的探伤。3d100%探伤18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4.3.5开孔和