压力容器开孔补强设计

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1、4.3常规设计4.3.5开孔和开孔补强设计第四章压力容器设计CHAPTERⅣDesignofPressureVessels1过程设备设计主要内容补强结构开孔补强设计准则允许不另行补强的最大开孔直径等面积补强计算接管方位4.3.5开孔和开孔补强设计2过程设备设计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3过程设备设计4.3.5开孔和开孔补强设计一、容器开孔的连接结构4过程设备设计4.3.5开孔和开孔补强设计5过程设备设计二、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6

2、（1）补强圈补强结构补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见下图优点结构简单，制造方便，使用经验丰富图4-37（a）补强圈补强缺点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过程设备设计7一般用在静载、中温、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1.5δn，壳体名义厚度δn≤38mm的场合。其结构形式有如图所示的3种。8补强圈补强过程设备设计4.3.5开孔和开孔补强设计9过程

3、设备设计4.3.5开孔和开孔补强设计补强圈补强10过程设备设计4.3.5开孔和开孔补强设计补强圈补强11过程设备设计4.3.5开孔和开孔补强设计补强圈12过程设备设计中低压容器应用最多的补强结构，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1.5δn、壳体名义厚度δn不大于38mm的场合。应用HG21506-2005《补强圈》JB/T4736-2005《补强圈》标准4.3.5开孔和开孔补强设计13过程设备设计（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

4、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）厚壁接管补强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14过程设备设计15过程设备设计4.3.5开孔和开孔补强设计厚壁接管补强16过程设备设计4.3.5开孔和开孔补强设计厚壁接管补强17图4-37（c）整锻件补强（3）整锻件补强整体锻件4.3.5开孔和开孔补强设计过程设备设计18过程设备设计19过程设备设计4.3.5开孔和开孔补强设计整锻件补强20补强金属集中于开孔应力最大部位

5、，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。优点缺点锻件供应困难，制造成本较高。应用21过程设备设计二、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

6、补强设计22过程设备设计（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

7、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23过程设备设计该法要求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24过程设备设计三、允许不另行补强的最大开孔直径焊接接头系数小于1但开孔位置不在焊缝上等等强度裕量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

8、接管，可以不予补强。4.3.5开孔和开孔补强设计25GB150规定：在设计压力≤2.5MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）