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1、（情绪管理）压力容器的开孔和补强第13章压力容器的开孔和补强本章重点内容及对学生的要求：（1） 回转壳体上开小孔造成的应力集中；（2） 开孔补强的原则、补强结构和补强计算；（3） 不另行补强的要求；（4） GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。第壹节容器开孔附近的应力集中1、关联概念（1）容器开孔应力集中（Openingandstressconcentration）于压力容器或设备上开孔是化工过程操作所决定的，由于工艺或者结构的需要，容器上经常需要开孔且安装接管，例如：人孔、手孔、进料和出料口等等。容器开孔接管后于应力分布和强度方面会带来下列影响：u 开孔破坏了原有的应力分布且引起应力集
2、中。u 接管处容器壳体和接管形成结构不连续应力。u 壳体和接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。上述三种因素均使开孔或开孔接管部位的引力比壳体中的膜应力大，统称为开孔或接管部位的应力集中。（2）应力集中系数（stressconcentrationfactor）常用应力集中系数Kt来描述开孔接管处的力学特性。若未开孔时的名义应力为，开孔后按弹性方法计算出的最大应力为max，则弹性应力集中系数为：（1）压力容器设计中对于开孔问题研究的俩大方向是： 研究开孔应力集中程度，估算Kt值； 于强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。2、平板开小孔的应力集中Fig.1Variationinstr
3、essinaplatecontainingacircularholeandsubjectedtouniformtension设有壹个尺寸很大的巨型薄平板，开有壹个圆孔，其小圆孔的应力集中问题能够利用弹性力学的方法进行求解。承受单向拉伸应力开小圆孔的应力集中如图1所示，只要板宽于孔径的5倍之上，孔附近的应力分量为：（2）平板开孔的最大应力于孔边处，孔边沿处：应力集中系数：3、薄壁球壳开小圆孔的应力集中如图2所示，球壳受双向均匀拉伸应力作用时，孔边附近任意点的受力为：Fig.2Variationinstressinasphereshellcontainingacircularhole孔边处r=a，
4、,应力集中系数4、薄壁圆柱开小圆孔的应力集中如图3所示，薄壁柱壳俩向薄膜应力，如果开有小圆孔，则孔边附近任意点的受力为：（3）Fig.3Variationinstressinacylindricalshellcontainingacircularhole孔边处。可是于孔边处最大，孔边处径向截面处的应力集中系数Kt2.5。而于另壹个截面，即轴向截面的孔边处的最大应力，此处应力系数Kt0.5，比径向截面的应力集中系数小得多。其他情况，例如开椭圆孔以及排孔等情况详见国标规定。针对开孔部位的壳体或者封头壁厚为，直径为D，开孔的孔径为d时，于接管根部开孔边缘处的应力集中现象呈现如下的特点： 最大应力于孔
5、边，是应力集中最严重的地方； 应力集中具有局部性，其范围也是极为有限的； 应力集中的情况和开孔的孔径和直径的相对尺寸d/D成正比，开孔不宜过大； 应力集中和成反比；所以增大开孔四周壳体的壁厚，则能够极大改善应力集中的情况，因此于开孔周围壹定的范围内，采用焊接补强圈的方法。 球壳上开孔的应力集中系数稍低于通体上开孔的应力集中系数；因此于可能的情况下，于封头上开孔，优于于壳体上开孔。5、应力集中对容器安全的影响 接管和壳体均为具有良好塑性的材料制成，如果容器内介质压力平稳，对容器的安全使用不会有太大的影响； 如果容器内有较大的压力波动，则应力集中区的金属于交变的高应力作用下会出现反复的塑性变形，导
6、致材料硬化，且产生疲劳破坏。应力集中是产生疲劳破坏的根源。6、开孔且带有接管时的应力集中系数之上讨论的是仅于壳体上开孔，可是于实际中通常是仍于开孔处有接管，开孔处因为接管和壳体于内压作用下发生变形协调而导致不连续应力出现。例如球壳和圆管的连接如下图所示。因此接管对开孔边缘处的应力集中影响也需要考虑。Fig.4Deformationandinternalforcesintheopeningofsphereshell应力集中系数曲线：为了便于设计、对不同直径的和不同厚度的壳，带有不同直径和接管，按理论计算得到的应力集中系数绘制成壹组组曲线。应力集中系数曲线图绘制根据：壳体的直径，壳体厚度；接管的直
7、径，接管厚度；接管形式的平齐接管，插入接管,的不同而绘制。第二节容器的开孔补强开孔部分的应力集中将引起壳体局部的强度削弱，若开孔很小且有接管，且接管又能使强度的削弱得以补偿，则不需另行补强。若开孔较大，就要采取适当的补强措施。壹般容器只要通过补强将应力集中系数降低到壹定的范围即可。按“疲劳设计”的容器必须严格限制开孔接管部位的最大应力。经过补强后的接管区能够使应力集中系数降低，但不能消除应力集中。1、开孔补强的基本原则当于容器开孔后，由于各种强度富余量的存于，开孔且非均要补强。而于孔周围不需要进行补强的规定，称为开孔补强设计的基本原则。（1）允许不补强开孔的原因应力集中的局部性原因，根据应力集
8、中的局部性特征，开孔附近的峰值应力，不会产生壳体的整体屈服；当应力集中系数小于时，开孔附近除疲劳断裂外，不产生壹般的强度破坏；容器有效壁厚，是于计算壁厚值加上壁厚附加量，按商品钢板系列的圆整值。壹般大于强度值的要求，从整体上得到了加强。于壁厚计算公式中，焊缝系数壹般小于1，于规定中，明确指出，开孔不允许于焊缝影响区内，则认为开孔区的强度承载能力高于焊缝区。（2）允许不另行补强的最大开孔直径a.不另行补强的最大孔径为b.当俩孔中心之间的间距大和俩孔直径之和的俩倍时，则每壹孔均可视为单个开孔。2、开孔补强形式（1）内加强平齐接管：将补强金属加于接管或壳体的内侧。（2）外加强平齐接管：将补强金属加于
9、接管和壳体的外侧（3）凸出接管对称加强：采用突出接管，接管的内伸端和外伸端同时加强形式（4）密集补强形式：补强金属集中于接管和壳体的连接处之上四类补强形式，从补强的效果，即补强所附加金属起到的实际作用，实践证明了密集补强效果最好。对称凸出接管列第二，外加强最差。3、补强结构（1）贴板补强结构贴板补强结构是于开孔周围贴焊壹个补强圈，补强圈的材料和厚度壹般和壳体相同。（a）需要保证补强圈和壳体全面贴合；(b)需要保证焊缝的全焊透结构；(c)于补强圈上开有M10的通孔，以充气检验其焊透性；（d）常用场合：中低压容器。（2）接管补强结构：即于开孔处焊接壹段加厚的接管，加厚接管处于最大应力区，故能有效的
10、降低应力集中系数。（a）优点：结构简单，焊缝小，容易对焊缝质量进行检验(b)缺点：焊缝处于最大应力区内；(c)当用于重要设备时，应保证焊缝的全焊透性。焊缝磨平，进行无损探伤。（d）常用场合：低合金钢容器或某些高压容器。（3）整锻件补强结构：将接管于壳体连同加强部分做成壹整体锻件。（a）优点：补强金属集中于开孔应力最大部位，应力集中系数最小。焊缝及热影响区离开最大应力点位置，抗疲劳性能优越。(b)缺点：锻件供应困难，制造烦琐，成本较高。（c）常用场合：只用于重要的设备，如高压容器，核容器等。4、开孔补强的设计准则（1）等面积补强准则该方法认为于有效的补强范围内，壳体处本身承受内压所需截面积外的多
11、余截面积A不少于开孔所减少的有效截面积A0。等面积补强法是世界各国延用已久的壹种经验设计方法。u 开孔削弱的截面积，指沿壳体纵向截面上的开孔投影面积。式中：d为开孔直径或接管内径加上壁后附加量C后的直径。T为壳体按内压或外压计算所需的计算厚度。Fr为材料强度削弱系数，即设计温度下接管材料和壳体材料许用应力之比，fr1.0u 有效补强范围：等面积补强法认为于右图中的WXYZ的矩形范围内补强是有效的。u 补强区内补强金属面积A(a)容器壳体设计厚度之外的多余金属截面积：A1筒体或封头，承受内压或外压所需的厚度和壁厚附加量之外剩余的金属面积。A1（B-d）(S-C)-So，C壁厚附加量式中Tn，tn
12、分别为壳体及接管的名义厚度T为容器壳体的计算厚度C为接管的壁厚附加量fr为材料的强度削弱系数（b）接管所需计算厚度之外的多余金属截面积：A2接管承受内压或外压所需厚度和壁厚附加量俩者之外多余的金属面积。A22h1(St-Sto-C)+2h2(St-C1-C2)式中：t为接管按内压或外压计算所需的计算厚度；C2为接管的腐蚀附加量。（c）于有效补强区内焊缝金属的截面积。（d）于有效补强区内另加的补强元件的截面积。若A1+A2+A3A，开孔不需要补强A1+A2+A3A，开孔需要补强则A4A-(A1+A2+A3)A4补强金属截面积。（2）极限分析补强设计准则由于开孔只造成壳体的局部强度削弱，如果于某壹
13、压力载荷下容器开孔处的某壹区域其整个截面进入塑性状态，以至发生塑性流动，此时的载荷便为极限载荷。利用塑性力学方法对带有整体补强的开孔补强结构求解出塑性失效的极限载荷。以极限载荷为依据来进行补强结构设计，即以大量的计算能够定出补强结构的尺寸要求，使其具有相同的应力集中系数。（3）开孔补强的其他问题之上是壳体上单个开孔的等面积补强方法，工程上有时仍会碰到且联开孔的情况，如果各相邻孔之间的空心距离小于俩孔平均直径的俩倍，则这些相邻孔能够不再以单孔计算，而应作且联孔处理。另外仍有开排孔、平板盖开孔的情况，其补强设计方法可按照压力容器标准中第六章的相应规定进行。对于成型封头开孔大小超过时D/2，也超出了等面积补强的规定适用范围，此时可采用“变径段”作过渡。【思考题】（1）开孔补强的方法有几种？（2）等面积补强法允许的开孔范围是多大？（3）大开孔应采用哪种补强方式？（4）为什么压力容器壳体上开孔尺寸较小时可不另行补强？
