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1、第十二章 开孔补强与设备凸缘 11-1 开孔补强一、容器接管附近的应力集中 （一）单向受拉平板小孔边缘处的应力集中现象v一单向受拉的矩形薄板，在中央开有一小孔，当 在板的两个侧面作用有均匀拉力时，板的横截面 内将产生拉伸应力，如果所取截面过此小孔，原 来作用在小孔截面面积上的应力向附近转移，结 果导致在紧靠开孔边缘处的应力急剧增长，即所 谓应力集中现象。Date1在远离小孔的横截面上各点的应力均匀分布且 =q；如果截取的横截面穿过空心，由于该截面被削掉 了2a，便出现了应力集中现象。 Date2分析：筒体上开椭圆孔，如何开？应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环向应
2、力不致增加很多。因为薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍，v应力集中和开孔形状有关，圆孔的应力集中程度 最低。Date3（二）容器接管附近的应力集中v研究表明：若被开孔部位的壳体或封头厚度为 、直径为D、开孔孔径d为时，那么在接管根部开 孔边缘处的应力集中现象将具有如下特点： （1）应力集中的范围是极为有限的。 （2）开孔孔径的相对尺寸d/D越大，应力集中情况 越严重，所以开孔不宜过大。 （3）被开孔壳体的/D越小，应力集中情况越严 重，如果将开孔四周壳体厚度增厚，则可极大地 改善应力集中情况。 Date4补强圈补强：在开孔周围一定范围内（B=2d）采 用焊接补强圈的方法，可以减小开孔附近的应
3、力 集中。整体锻件补强：在一些补强要求高的容器上，把 需要局部增厚的壳体部分全部挖掉，换上真正增 厚了的壳体。补强管补强：增大接管壁厚，即用特意加厚的接 管来改善开孔处的应力集中。 （4）在球壳上开孔的应力集中系数稍低，因此在 可能的条件下，开孔在封头优于开在壳体上。Date5（三）应力集中对容器安全使用的影响v压力容器的壳体与接口管都是用塑性良好的钢制 造的，如果容器内介质压力平稳，应力集中对容 器的安全使用不会有太大影响。因为在局部高应 力下的金属可借助出现少量的塑性变形使应力的 增长达到材料屈服限时即告终止。v如果容器内的压力有较大的波动或有周期性的变 化，应力集中将可能影响容器的安全使
4、用。v交变应力引起的破坏称为“疲劳”破坏。应力集中是容器出现疲劳破坏的根源。 Date6二、补强结构与计算（一）补强圈补强1、补强计算v补强计算最简单的方法是依据等面积补强准则建立起来的。v等面积补强准则：由于开孔，壳体承受应力所必须的金属截面被削去多少，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。Date72、补强圈的应用v补强圈补强广泛应用于中、低压的压力容器上。在开孔周围一定范围内紧靠接管 贴焊一块补强圈。Date8（1）补强圈所提供的补强金属截面过于分散，补 强效率不高，载荷反复波动的容器上也不宜用。 （2）补强圈与壳体之间存在着一层静止的气隙， 传热效果差，在壳体与补强圈之间
5、容易引起热应 力。 （3）补强圈与壳体相焊时，形成内外两圈封闭焊 缝，增大了焊件的刚性，对焊缝冷却进的收缩起 较大的约束作用，易在焊缝处造成裂纹。 （4）使用补强圈后，在补强圈外缘与壳体的搭接 填角焊缝处，易造成新的应力集中，易开裂。 Date9（5）由于补强圈没有和壳体或接管金属真正熔合 成一个整体，因而抗疲劳性能差，其疲劳寿命比 未开孔时降低30%左右。v由于存在上述缺点，所以采用补强圈补强的容器 必须同时具备以下三个条件： （1）壳体材料的标准抗拉强度不能超过540MPa， 以避免出现焊接裂纹。 （2）补强圈的厚度不能超过被补强壳体名义厚度 n的1.5倍。 （3）被补强壳体的名义厚度n
6、38mm。Date10（二）补强管补强v采用厚壁管补强就是利用在补强有效区内管壁多 余的金属截面来补足被挖去的壳壁承受应力所必 须的金属截面。v结构简单，制造与检验都很方便，多用于低合金 钢容器或某些高压容器。Date11（三）整体锻件补强v整体锻件与被开孔的壳体之间以及与接管之间采 用的都是受力状态最好的对接焊接接头，且焊缝 及其热影响区都可以设计得远离最在应力点位置 ，所以抗疲劳性能好。v缺点：锻件供应困难，制造烦琐，成本较高，只 用在有较高要求的压力容器上。Date12Date13三、容器上开孔及补强的有关规定 （1）开孔尺寸的限制开孔部位允许许开孔孔径筒体Di1500mm时时，d1/2
7、Di，且不大于520mm Di 1500mm时时，d1/3Di，且不大于1000mm 凸形封头头 平板形封头头d1/2Di锥锥形封头头d1/3DK（DK为为开孔中心处锥处锥 体内直径）（2）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。 Date14（）尽量不要在焊缝上开孔，如果避不开时，则 在以开孔中心为圆心，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。 （4）壳体开孔满足下述要求时,可以不另行补强；设计压力不大于2.5MPa ；两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算 ）应不小于两孔直径之和的两倍；接管公称外径小于或等于89mm；不补强接管的
8、外径及其最小壁厚应符合下表规定 。 Date15允许不另行补强的接管外径与最小壁厚/mm接管外径 253238454857657689最小壁厚 3.5 3.53.5 4.0 4.0 5.0 5.0 6.0 6.0Date1611-2 11-2 容器的接口管与凸缘v用于装置测量、控制仪表，或连接其他设备和介 质的输送管道。一、接口管 焊接设备的接口管长度接口管长度 h/mm Date17铸造设备接管可与筒体一并铸出。 螺纹管主要用来接温度计、压力表或液面计等，Date18二、凸缘v当接管长度必须很短时，可用凸缘(又叫突出接 口)来代替接管。v凸缘本身具有加强的作用，不需再另外补强。v缺点是当螺柱折断在螺栓孔中时，取出较困难。v由于凸缘与管道法兰配用，因此它的联接尺寸应 根据所选用的管法兰来确定。 Date19Date20
