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1、1,第十二章 开孔补强与设备凸缘,第一节 开孔补强 第二节 设备凸缘,2,第一节 开孔补强,一、开孔应力集中及应力集中系数 二、开孔补强设计 三、等面积补强计算,3,一、开孔应力集中及应力集中系数,容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下 列影响: 1. 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。 2. 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。 3. 壳体与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。,4,一、开孔应力集中及应力集中系数,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
2、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 压力容器设计中对于开孔问题研究的两大方向是： 研究开孔应力集中程度，估算Kt值； 在强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。,5,(一)开孔的应力集中,1.平板开小孔的应力集中 平板开孔的最大应力在孔边 处 孔边沿r=a处：,6,一、开孔应力集中及应力集中系数,(一)开孔的应力集中 1.平板开小孔的应力集中,7,(一)开孔的应力集中,2.薄壁球壳开小圆孔的应力集中 孔边处r=a， , 应力集中系数,8,(一)开孔的应力集中,3.薄壁圆柱开小圆孔的应力集中 孔边处r=a，,9,(一)开孔的应力集中,10,最大应力
3、在孔边，是应力集中最严重的地方； 应力集中具有局部性； 应力集中和 /D 成反比；所以增大开孔四周壳体的壁厚，则可以极大改善应力集中的情况。 球壳上开孔的应力集中系数稍低于筒体上开孔的应力集中系数；因此在可能的情况下，在封头上开孔，优于在壳体上开孔。,容器开孔产生的应力集中呈现如下特点：,11,12,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在交变的高应力作用下会出现反复的塑性变形，导致材料硬化，并产生疲劳破坏。应力集中是产生疲劳破坏的根源。,13,二、开孔补强设计,
4、开孔部分的应力集中将引起壳体局部的强度削 弱，若开孔很小并有接管，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。 一般容器只要通过补强将应力集中系数降低到 一定的范围即可。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 可以使应力集中系数降低，但不能消除应力集中。,14,开孔补强设计的基本原则,当在容器开孔后，在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3时，开孔附近除
5、疲劳断裂外，不产生一般的强度破坏； 容器有效壁厚，是在计算壁厚值加上壁厚附加量，按商品钢板系列的圆整值。一般大于强度值的要求，从整体上得到了加强。 在壁厚计算公式中，焊缝系数 一般小于1， 在规定中，明确指出，开孔不允许在焊缝影响区内，则认为开孔区的强度承载能力高于焊缝区。,15,二、开孔补强设计,(一)允许不另行补强的最大开孔直径 由于各种强度富余量的存在，开孔并非都要补强。 a.不另行补强的最大孔径为 b.容器的设计压力小于等于2.5Mpa； C.当壳体名义厚度大于12mm时，接管直径小于或等于80mm，当壳体厚度小于12mm，接管直径小于50mm。,16,二、开孔补强设计,1.圆筒上开孔
6、的限制 当内径 mm的容器 开孔最大直径 当内径 mm的容器 开孔最大直径 且 mm,17,二、开孔补强设计的要求,2.球壳或其他凸形封头上的最大开孔直径 3.锥形封头上开孔的最大直径 此处 为开孔中心处锥体的内直径,18,（二）补强结构,1、补强圈补强,补强结构是在开孔周围贴焊一个补强圈，补强圈的材料和厚度一般与壳体相同。 （a）需要保证补强圈与壳体全面贴合 (b)需要保证焊缝的全焊透结构 (c) 在补强圈上开有M10的通孔，以充气检验其焊透性,19,二、开孔补强设计,1.补强圈补强 优点：结构简单，制造方便，使用经验丰富。 缺点：补强区域分散，抗疲劳性能差。 常用场合：中低压容器,20,2
7、、接管补强,（a）优点：结构简单，焊缝小，容易对焊缝质量进行检验 (b)缺点：焊缝处在最大应力区内； (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。,21,3、整锻件补强结构 将接管与壳体连同加强部分做成一整体锻件。,（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。,22,开孔补强的设计准则,等面积补强准则 该方法认为在有效的补强范围内，壳体处本身承受内压
8、所需截面积外的多余截面积A不应少于开孔所减少的有效截面积A0。即 通俗地讲：就是由于开孔，壳体承受应力所必需的金属截面被消弱多少，就必须在开孔周围的补强范围内补回同样面积的金属截面。 等面积补强法是世界各国延用已久的一种经验设计方法。,23,开孔削弱的截面积,24,三、等面积补强计算,(一)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 与壳体材料许用应力之比，frlOmm, s1-s20.3s2或s1-s25时，均应按图的要求,削薄厚板边缘。,图 不等厚
9、度板的对接,41,42,43,（3）焊缝形式,定义：表明焊接接头中熔化面间的关系。与接头形式有区别。 对接焊缝 由两个相对的熔化面及其中间的焊缝金属组成；,44,（3）焊缝形式,角接焊缝 由相互垂直或者相交为某一角度的两个熔化面及呈三角形断面形状的焊缝金属所构成。,45,（3）焊缝形式,组合焊缝 是由对接焊缝和角焊缝组合而成的焊缝。,46, 纵焊缝间的距离 在同一小区内尽量避免多次焊接，两相邻筒节的纵焊缝要错开一段距离a,a3s,且a40mm(S为板厚)以避免十字交叉焊缝，如图1.20示。,图 纵焊缝间的距离,47,焊缝要尽量离开容器的几何形状和壁厚突变的地方，例如当椭圆形封头与简体对焊时，一
10、定要加一个直边过渡部分，让两个圆柱体相连，以使焊缝避开应力复杂的区域。,48,第二节 GB150-1998 关于压力容 器上的焊接接头的分类,主要是根据压力容器上的焊接接头按其所处的位置进行划分A、B、C、D四类，化类的目的应该是对焊接接头的检验上有所区别。,49,50,51,第三节 焊接接头的检验 （1）焊接接头缺陷 外部缺陷 （1）焊缝截面不丰满或者余高过高。,52,外部缺陷 （2）焊缝漫溢。 （3）咬边；,53,（4）表面气孔和裂纹,54,主要指气孔、裂纹、未焊透、夹渣及未熔合等，一般需要采用射线拍片或者超声波探伤来发现。,内部缺陷,55,1、焊材保管,贮存库应保持干燥，相对湿度不得大于
11、60%,2、施焊环境,56,3焊前预热,4焊接工艺,57,制造过程中的检验 a.容器各部件在组焊之前必须通过各种检验 外观尺寸与尺寸公差的检验 b.焊缝检验: 射线探伤 超声波探伤 磁粉探伤 着色法探伤,58,焊缝检验尺,59,60,超声波探伤是使用最多的无损探伤方法。 磁粉探伤与着色探伤辅助以检验是否存在有表面裂纹。 近年来，超声波应用日益广泛，技术也迅速进步。射线探伤易于记录保存和备查，检验可靠。制造过程中最好每完成一个组焊过程便进行一次探伤，发现超标缺陷及裂纹，用补焊方法予以消除。,焊缝检验,61,常用的无损检测方法的比较,62,1.2.5.在役检验与监控,实践证明，压力容器的爆破事故绝
12、大多数起源于裂纹或其它缺陷的扩展。 在役检验定义： 指投入运行前通过了检查的容器，在服役一定时间以后往往在定期检修时发现了裂纹的过程。 裂纹的萌生与扩展的原因可能是由于疲劳、应力腐蚀、高温下应力的长期作用等。由于裂纹的萌生与扩展有一个过程，因此，在定期检查时发现了裂纹并不等于容器就不安全了，但必须慎重对待，要么予以消除，要么经专家进行安全评定，只要这些缺陷仍在断裂力学计算所认定的安全范围以内就仍可继续使用。但是保留了裂纹缺陷的容器在以后的服役期间就更要加强检查监督。,63,在役检验方法 在役检验的方法以射线检验和超声检验为主，辅以磁粉或着色检验以检测表面裂纹。一般化工厂或石油化工厂通常是在年度大修时进行检查，或根据有关规程分别逐年轮流检查。在运行过程中对已知的缺陷部位进行连续的监控当然是最理想的，但实行起来很困难，只是在核电站系统中已实行部分的连续监控，这种监控技术也是一项重大的研究课题。对无法连续监控的重要容器应缩短检测的时间间隔。,64,1无损检测常用方法,射线RT,磁粉MT,超声波UT,渗透PT,2焊缝分类,
