压力容器开孔及补强设计[宣贯]

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1、1 压力容器开孔及补强设计 2007年7月 武汉工程大学化工设备设计研究所 2 压力容器开孔及补强设计 1 容器开孔接管后在应力分布与强度方面将的影响 开孔后使承载截面减小 承载材料的削弱 破环了原有的应力分布 造成孔边缘局部的应力集中 接管处容器壳体与接管形成不连续结构而产生边缘应力 2 应力集中系数 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若为 则弹性应力集中系数的定义为 3 平板开小圆孔的应力集中 1 单向拉伸应力作用 孔边应力集中及局部性的特点 4 平板开小圆孔的应力集中 2 两向拉伸应力作用 结论 圆筒开孔应力集中系数比球壳开孔应力集中系数大 5 平板开椭圆孔的应力集

2、中 1 单向拉伸应力作用 6 平板开椭圆孔的应力集中 2 双向拉伸应力作用 当 相当于在球壳上开椭圆孔 相当于在圆柱壳上开椭圆孔 椭圆孔的长轴与拉伸应力的方向一致 的方向一致 7 平板开椭圆孔的应力集中 2 双向拉伸应力作用 当 相当于在球壳上开椭圆孔 相当于在圆柱壳上开椭圆孔 椭圆孔的长轴与拉伸应力的方向垂直 8 平板开椭圆孔的应力集中 1 几点结论 在球壳上开圆孔的应力集中系数 小于开椭圆孔的应力集中系数 在圆柱壳上开圆孔时的应力集中系数 若要开设椭圆孔 则应使椭圆孔的长轴与壳体轴线垂直此时 9 内压壳体开孔的应力集中 由于开孔后多焊有不同厚度的接管 应力集中系数比较复杂 采用理论计算和实

3、验测定相结合的办法 当越大 即开孔直径越大时应力集中系数越高 相反 减小孔径 增大壳壁厚度均可降低应力集中系数 内伸式接管的应力集中系数较低 尤其是内伸接管壁厚较厚时能有效地降低应力集中 10 内压壳体开孔的应力集中 球壳带平齐式接管的应力集中系数 过小或过大时上述曲线均会有较大的误差 壳壁过厚 即过小时 应力沿壁厚分布的不均匀性增大 应力集中系数将明显比图示值减小 11 内压壳体开孔的应力集中 球壳带内伸式接管的应力集中系数 12 开孔分析的几点结论 1 开孔的应力集中区域属于局部应力 衰减很快 作用范围在量级 2 孔边应力最高 故在孔边补强最有效 3 球壳上开孔的应力集中小于柱壳上的应力集

4、中 球壳Kt 2圆柱壳Kt 2 5 4 在双向应力作用下 圆柱壳开孔边缘经向截面的应力集中比周向截面的应力集中大得多 13 压力容器开孔的强度问题 1 容器开孔对局部薄膜应力的影响 在压力作用下 壳体内存在着薄膜应力 壳体开孔后使承载截面减小 使该截面的平均应力增加 而且在开孔边缘的应力分布极为不均匀 随着距离增加 应力增加逐渐减少 在孔边缘产生的薄膜应力称为局部薄膜应力 2 局部弯曲应力 接管和壳体在应力作用下变形不一致 由于变形协调 在相贯处产生一对剪力和弯矩 从而在壳体开孔边缘和接管端部的局部弯曲应力 14 容器开检查孔的有关规定 为检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹 变形 腐蚀等缺陷

5、 压力容器应开设检查孔 检查孔包括人孔和手孔 手孔应开设在封头上或封头附近的筒体上 15 不需要补强的最大孔径 1 GBl50 钢制压力容器 对不需另行补强的最大开孔直径的最新规定 当壳体开孔满足下述全部要求时可允许不需另行补强 设计压力小于或等于2 5MPa 2 两相邻开孔中心的距离 对曲面间距以弧长计算 应不小于两孔直径之和的两倍 3 接管公称外径小于或等于89mm 4 接管最小壁厚满足下表3 9的要求 16 适用的开孔范围 壳体上开孔直径越大 则开孔系数 越大 应力集中系数也越大 因此 我国GB150 钢制压力容器 中对开孔直径的最大值加以限制 1 圆筒开孔的限制 当内径Di 1500m

6、m时 开孔最大直径d 1 2Di 且d 520mm 当内径 1500mm时 开孔最大直径d 1 3Di 且d 1000mm 2 凸形封头或球壳的开孔最大直径d 1 2Di 3 锥壳 或锥形封头 的开孔最大直径d 1 3Di Di为开孔中心处的锥壳内直径 4 在椭圆形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 17 适用的开孔范围 壳体上开椭圆孔长短半轴之比小于2 理由 等面积补强未计及开孔边缘的应力集中问题 仅就开孔截面的边缘应力进行考虑 对开孔区局部高应力的安定问题未加以考虑 18 开孔补强的设计准则 等面积补强准则 认为在有效的补强范围内 壳体除本身承受内压所需截面积外的多余截

7、面积不应少于开孔所减少的有效截面积 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 如果在某一压力载荷下容器开孔处的某一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 以极限载荷为依据来进行补强结构设计 即以大量的计算可以定出补强结构的尺寸要求 使其具有相同的应力集中系数 这就是极限分析补强设计准则 19 开孔补强的设计准则 安定性补强设计准则 它不涉及塑性分析方法而仅用弹性分析方法对结构进行弹性应力分析 但允许接管部位的应力超过材料的屈服强度 从而局部材料会进入塑性状态 但控制该最大弹性虚拟应力不得超过一定限度仍可保证安全 用 英国用 来限制开孔部位最大应力值

8、按弹性分析得出的 的准则称为安定性设计准则 20 开孔补强的设计准则 等面积补强准则 在有效的补强范围内 壳体除本身承受内压所需截面积外的多余截面积不应少于开孔所减少的有效截面积 优点 在一般情况下可以满足开孔补强设计的需要 方法简便 且在工程上有很长的使用历史和经验 我国的容器标准主要采用了这一方法 缺点 等面积法忽视了开孔处应力集中与开孔系数的影响 例如相同大小的孔 当壳体直径很大时较小 造成的强度削弱就少 反之壳体直径很小时很大 造成的削弱也大 因此等面积法有时显得富裕 有时显得不足 21 开孔补强结构 1 局部补强结构 指另外在壳体开孔处的一定范围内增加补强元件或增大壳体壁厚 接管壁厚

9、 如果将连接处的接管或壳体壁厚适当加厚 上述局部地区的应力集中在很大程度上得到缓和 应力集中系数可以控制在所允许的范围内 2 整体补强 用增加整个壳体壁厚的办法来降低开孔附近的应力 由于开孔应力集中的明显局部性 在不大的范围以外便恢复到正常的应力值 故除了制造或结构上的需要以外 一般并不需要把整个容器壁加厚 22 压力容器开孔局部补强 1 补强圈补强 补强圈补强结构简单 易于制造 有一定补偿效果 故使用广泛 但补强圈与壳壁之间存在着一层静止空气隙 传热效果较差 两者温差应力较大 在补强的局部地区容易产生附加温差应力 2 接管补强 在开孔处焊上一段加厚的短管 接管的加厚部分 正处于最大应力区域内

10、 故能有效地降低应力集中系数 23 压力容器开孔补强的原理 将接管和壳体连接处及加强部分做成一个整体锻件 然后再与接管和壳体焊在一起 其优点是补强金属集中于开孔应力最大的部位 应力集中系数最小 并且采用对接焊接接头 使焊缝及其热影响区离开最大应力点的位置 抗疲劳性能好 疲劳寿命只降低10 15 左右 3 整锻件补强 24 补强圈结构的补强计算 补强圈补强的相关规定 补强圈厚度 标准抗拉强度壳体厚度 补强圈补强的存在的一些问题 搭接焊接存在气隙 传热效果差 容易引起温差应力刚性变形大 角焊逢冷却收缩起较大作用 容易在焊逢处产生裂纹 尤其对高强钢淬硬性大 对焊接裂纹比较敏感 抗疲劳能力差 25 补

11、强圈结构的补强计算 圆筒或球壳开孔所需补强面积 由于应力集中的局部性 等面积补强法认为在图3 17所示的WXYZ的矩形范围内实施补强是有效的 超过此范围实施补强是没有作用的 有效宽度B 有效高度H 外侧高度 内侧高度 26 补强圈结构的补强计算 圆筒或球壳开孔所需补强面积 在有效补强区范围内 可作为补强的截面积 壳体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 焊缝金属的截面积 mm2 可根据角焊缝的具体尺寸计算确定 开孔后不需要另加补强开孔后需要另加补强 27 补强圈结构的补强计算 其另加补强面积 开孔后不需要另加补强 开孔后需要另加补强 28 补强圈选择注意

12、3 避免采用高强钢 1 接管与壳体应采用全焊透结构 避免尖角过渡 2 焊缝应进行无损检测 4 不宜用于介质对应力的敏感场合避免用于脉动载荷 蠕变场合 29 设计举例 内径Di 1800mm的圆柱形容器 采用标准椭圆形封头 在封头中心设置 159 4 5的内平齐接 封头名义厚度 18mm 设计压力p 2 5MPa 设计温度t 150 接管外伸高度h1 200mm 封头和补强圈材料为16MnR 其许用应力 163MPa 接管材料为10号钢 其许用应力 108MPa 封头和接管的厚度附加量均取2mm 液体静压力可以忽略 试作开孔补强设计 30 开孔条件 不另行补强条件 否 等面积补强法 是 1 计算

13、开孔补强需要的面积A2 确定有效补强面积3 计算A1 A2 A3 A1 A2 A3 A 否 按A A1 A2 A3 确定补强面积 31 1 补强及补强方法判别 补强判别根据表3 9 允许不另行补强的最大接管外径为 89mm 此开孔外径等于159mm 故需考虑其补强计算 补强计算方法判别开孔直径 本凸形封头开孔直径 满足等面积法开孔补强计算的适用条件 故可用等面积补强法进行开孔补强计算 2 开孔削弱所需要的补强截面积 32 2 开孔削弱所需要的补强截面积 封头计算厚度由于在椭圆形封头中心区域开孔 所以封头的计算厚度按式 3 62 确定 因为液体静压力可以忽略 即 查表4 1可得 标准椭圆形封头

14、又因开孔处焊接接头系数 故封头计算厚度 开孔削弱所需要的补强截面积 先计算强度削弱系数 接管有效厚度为 即开孔削弱所需要的补强截面积 33 3 补强范围 有效宽度 有效高度外侧高度 内侧高度 34 3 补强范围 3 补强面积 壳体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 接管计算厚度 所以 35 焊缝金属的截面积 焊脚取8mm 因是内平齐接管 所以 4 需另加补强面积 因 故需另加补强面积 36 5 补强圈设计根据接管公称直径dN150选补强圈 参照JB T4736 2002 补强圈 取补强圈外径 内径 补强圈在有效补强范围内 补强圈计算厚度为 考虑腐蚀裕量和钢板厚度负偏差并经圆整 取补强圈名义厚度为12mm 但为了便于制造和材料准备 补强圈名义厚度可取为封头的名义厚度 即为18mm 37 恳请各位批评指正