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1、第十二章 压力容器开孔与接管一. 重点1. 壳体开孔的压力特点2. 开孔接管的应力集中系数的定义3. 开孔补强的目的4. 开孔补强的结构及方法5. 等面积补强的原则6. 等面积补强计算面积有哪些?二. 壳体上开孔的原因三. 壳体上开孔后产生的问题1. 开孔后,造成壳壁不连续,在孔边缘产生应力集中2. 接管后,壳体与管的结构不连续,产生的附加弯应力3. 壳体接管的拐角处,由于r引起的局部应力.结果:使孔附近的应力比薄膜应力大5-6倍,产生疲劳破坏和脆裂12.1 容器壳体开孔时的应力分析一.平板开小圆孔的应力分析 分析条件: 板长,宽孔径2a 载荷q/作用于板上1. 单向拉伸时的应力分析(1) 孔
2、区附近的应力解 (12-1)式利用弹性力学理论解知(2) 孔边缘处的应力特点: r=a时 孔边缘处的应力 r=a时 孔边缘处的周向应力分布特点: ra时随r的增大而迅速减小.由(12-1)式可知.2. 双向拉伸时的应力分析:二.薄球壳开小孔的应力分析 1.分析对象: 2.孔区附近的应力解 利用代入(12-4)可知(12-5),即 3. 孔边缘处的应力特点:当r=a时,孔边缘应力 孔边缘应力=孔区域薄膜应力q的2倍.四. 圆筒壳开小孔 1.分析对象: k较大, 较小, 2.应力解: 利用代入(12-4)可知(12-6) 3.孔边缘处的应力特点: (1)当r=a时 (2) 在孔边缘r=a处的分布规
3、律: 说明:比孔口区域筒壳中大2.5倍.()五. 平板开椭圆孔的应力分析 1.单方向受拉伸时的应力分析 (1)长轴平行于受拉方向时: 孔口处r=a时的应力解(12-8) 由于其应力表达式较复杂,仅给出最重要的孔口应力表达式,即 特点:孔口处的分布规律: (2)长轴a垂直于受拉方向时 孔口处的应力解(12-9) 孔口处的分布规律: 2.双向受拉伸时的应力分析 (1)孔口处的应力解:由(12-8)与 (12-9)叠加即知(12-10) (2)孔口边缘处的分布规律(特点) 由(12-10)可知: 在长轴的两端 在短轴的两端 说明:开椭圆孔时,最大应力在孔边缘处(在长轴两端) 12.2 开孔接管处应力
4、集中系数的计算一.开孔接管时的应力集中 1.壳体上开孔与平板开小孔有以下差别: (1)开孔不是小孔. 如:人手孔 .故开小孔的假设不成立其理论不能运用. (2)容器壳体是曲面,与平板不同. 因为在开孔处由于曲面的影响,壳体存在弯曲应力 (3)容器开孔接管后,接管对开孔边缘有约束作用.而平板开小孔理论,没有考虑接管约束问题,所以对 开孔接管问题,必须寻求新的分析方法.2.接管区的应力分析(1)利用”力法”可求出该区域的应力分布情况和应力值 “力法”:根据平衡,几何和物理方程(2)根据理论计算和实际结果,查接管区的应力分布图12-7二开孔接管处的应力集中系数计算1. 应力集中系数K的概念: (1)
5、作用: 求接管处的最大应力峰值 (2)定义: 如: 2. K的确定方法(1)应力指数法 K的大小: 查表12-1 :适用条件 P235 (1)-(4)注:径向接管:接管轴线与壳体半径同一方向 非径向接管:轴线与壳体半径不同方向(2)应力集中系数曲线: 曲线形成: 由理论与实践综合绘出 适用条件: 不能用指数法时采用 曲线种类: 图12-12 球壳 平齐 图12-13 球壳 内入 图12-14 圆壳 平齐 曲线适用条件: 当150时,壳体很薄,则K取的比曲线值大些. 因为开孔造成弯曲应力效应大.3. 应力集中系数曲线的推广应用(1) 可用于补强壳体 注意:利用曲线查K时,将改用 为接管厚度, 为
6、加强后的厚度 将开孔系数中的改用 查下的K值(2) 椭圆封头上开孔的K. 不同点:当量半径R=K1Ri 其中:R是封头的当量半径; K1是修正系数,与a/b有关,查表12-2, Ri是封头内半径.12.3 开孔补强设计 一.开孔补强的概念 1.开孔补强的目的:降低开孔接管处的应力峰值. 因为容器的强度条件,所以应力峰值降低,设计时降低,降低. 2.开孔补强设计的定义: 为降低应力集中系数,而作的计算与结构设计二.补强结构(补强元件类型) 1.加强管补强 (1)结构 图12-15.(d),(f) 即在开孔处焊接一段加厚的接管 (2)特点:环焊缝少.易探伤,结构简单 (3)适用范围:低合金钢,高压
7、设备 2.整体锻件补强: (1)结构:图12-15 (g),(h),(i) (2)特点: 优: 对焊,易探伤 抗疲劳性能好 缺: 成本高,加工难 (3)适用范围:高压 重要设备(3)加强圈的补强: 结构: 图12-15. (a),(b),(c) 特点: 优:简单,易加工,使用经验丰富 缺:抗疲劳性能差,热应力大,K大. 适用范围: P241 三:壳体开孔的有关规定1. 允许不补强时开的最大孔直径 P242.(1)-(4) Pc2.5MPa开孔中心距A=两孔直径和的2倍. 接管外径d0=89mm接管最小壁厚满足表内要求.2. 壳体上允许开的最大孔直径dmax, P242.(1)-(3)(1) 圆
8、筒(2) 凸形封头与球壳的(3) 锥壳或锥形封头的(Di为开孔中心处的锥壳内径)注:椭圆,碟形过度段部分开孔时,孔中心线垂直于封头表面.四.等面积补强计算方法1.各国压力容器规范主要采用的准则(补强准则的种类) 因为补强的目的是降低开孔接管处的应力值,对这个应力值限制在什么范围内,就出现了各种补强准则.(1) 等面积补强准则(2) 极限分析法(3) 安定性理论(4) 其它方法: 实验屈服法 实验应力法等2常用的开孔补强准则-等面积补强准则3等面积补强的原则在补强区(在邻近开孔处附近处)所加补强材料的截面积A0应与开孔而失去的截面积A相等.即A0=A其含义:在于补强壳壁的平均强度,用开孔等面积的
9、外加金属来补强被削弱的壳壁强度.4.等面积补强计算方法. P243 (1)判断是否要补强计算满足不另行补强的最大开孔直径的条件者,不补强(2)计算开孔失去的面积A.（3）确定补强区的有效范围有效宽度 取大值有效高度 取小值（4）计算有效补强面积壳体承受内压或外压所需设计厚度之外的的多余金属面积接管承受内压或外压所需的设计厚度之外的多余金属面积其中 计算设计厚度 厚度附加量 强度削弱系数补强区焊缝面积 补强区内另加的补强面积（加强圈面积）（5）判断当时， 不用补强。当时，需补强。（6）补强圈面积的计算 当， 当， 当 ， （7）补强圈的设计 补强圈的外径 如 则由表12-3可知。 补强圈 厚度 若 ， 采用补强圈不合适，该用其他方法补强。 8
