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1、4.3 常规设计常规设计4.3.5 开孔和开孔补强设开孔和开孔补强设计计第第 四四 章章 压力容器设计压力容器设计CHAPTER Design of Pressure Vessels1过程设备设计过程设备设计主要内容主要内容补强结构补强结构开孔补强设计准则开孔补强设计准则允许不另行补强的最大开孔直径允许不另行补强的最大开孔直径等面积补强计算等面积补强计算接管方位接管方位4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计2过程设备设计过程设备设计开孔带来的问题开孔带来的问题削弱器壁的强度削弱器壁的强度产生高的局部应力产生高的局部应力4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计3过程设备设计过程
2、设备设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计一、容器开孔的连接结构一、容器开孔的连接结构4过程设备设计过程设备设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计5过程设备设计过程设备设计二、补强结构二、补强结构 补强结构补强结构局部补强局部补强整体补强整体补强补强圈补强补强圈补强厚壁接管补强厚壁接管补强整锻件补强整锻件补强4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计6（1 1）补强圈补强）补强圈补强结构结构补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见下图补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见下图优点优点结构简单，制造方便，使用经验丰富结构简单，制造方便，使用经验丰富图图4-37 （a）补强圈补
3、强）补强圈补强缺点缺点1 1）与壳体金属之间不能）与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，存在在中温以上使用时，存在较大热膨胀差，在补强局较大热膨胀差，在补强局部区域产生较大的热应力；部区域产生较大的热应力；2 2）与壳体采用搭接连接，）与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，抗难以与壳体形成整体，抗疲劳性能差。疲劳性能差。4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计过程设备设计过程设备设计7一般用在静载、中温、一般用在静载、中温、中低压、材料的标准中低压、材料的标准抗拉强度低于抗拉强度低于540MPa，补强圈厚度小于或等补强圈厚度小于或等于于1.5
4、n，壳体名义，壳体名义厚度厚度n38mm的的场合。场合。其结构形式有如图所其结构形式有如图所示的示的3种。种。 8补强圈补强补强圈补强过程设备设计过程设备设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计9过程设备设计过程设备设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计补强圈补强补强圈补强10过程设备设计过程设备设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计补强圈补强补强圈补强11过程设备设计过程设备设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计补强圈补强圈12过程设备设计过程设备设计中低压容器应用最多的补强结构，一中低压容器应用最多的补强结构，一般使用在般使用在静载静载
5、、常温常温、中低压中低压、材料的标准抗拉强度低于材料的标准抗拉强度低于540MPa、补强圈厚度小于或等于补强圈厚度小于或等于1.5n、壳体名义厚度壳体名义厚度n不大于不大于38mm的场合。的场合。应用应用HG21506-2005补强圈补强圈JB/T4736-2005补强圈补强圈标准标准4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计13过程设备设计过程设备设计（2）厚壁接管补强）厚壁接管补强结构结构在开孔处焊上一段厚壁接管，见（在开孔处焊上一段厚壁接管，见（b）图。）图。特点特点补强处于最大应力区域，能更有效地降低补强处于最大应力区域，能更有效地降低应力集中应力集中应力集中应力集中系数系数系数
6、系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验，补强效果较好。检验，补强效果较好。图图4-37 （b）厚壁接管补强）厚壁接管补强高强度低合金钢高强度低合金钢高强度低合金钢高强度低合金钢制压力制压力容器由于材料缺口敏感容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该性较高，一般都采用该结构，但必须保证结构，但必须保证焊缝焊缝焊缝焊缝全熔透全熔透全熔透全熔透。应用应用4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计14过程设备设计过程设备设计15过程设备设计过程设备设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计厚壁接管补强厚壁接管补强16过程设备设计过程设备
7、设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计厚壁接管补强厚壁接管补强17图图4-37 （c）整锻件补强）整锻件补强 （3）整锻件补强）整锻件补强 整体锻件整体锻件4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计过程设备设计过程设备设计18过程设备设计过程设备设计19过程设备设计过程设备设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计整锻件补强整锻件补强20补强金属集中于开孔应力最大部位，能最补强金属集中于开孔应力最大部位，能最有效地降低应力集中系数；可采用对接焊有效地降低应力集中系数；可采用对接焊缝，并使焊缝及其热影响区离开最大应力缝，并使焊缝及其热影响区离开最大应力点，抗疲劳性能
8、好，疲劳寿命只降低点，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降低101015%15%。重要压力容器，如核容器、材料屈服点重要压力容器，如核容器、材料屈服点在在500500MPaMPa以上的容器开孔及受低温、高以上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大直径开孔容器等。温、疲劳载荷容器的大直径开孔容器等。结结构构将接管和部分壳体连同补强部分做成整体将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接。锻件，再与壳体和接管焊接。优优点点缺缺点点锻件供应困难，制造成本较高。锻件供应困难，制造成本较高。应应用用21过程设备设计过程设备设计二、开孔补强设计准则二、开孔补强设计准则 指采取适当增加壳体或接管厚
9、度的方法将应指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数减小到某一允许数值。力集中系数减小到某一允许数值。开孔补强设计：开孔补强设计：开孔补强设计准则开孔补强设计准则弹性失效设计准则弹性失效设计准则等面积补强法等面积补强法塑性失效准则塑性失效准则极限分析法极限分析法4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计22过程设备设计过程设备设计（1）等面积补强）等面积补强 定义：定义：定义：定义：壳体因开孔被壳体因开孔被削弱的承载面积，须削弱的承载面积，须有补强材料在离孔边有补强材料在离孔边一定距离范围内予以一定距离范围内予以等面积补偿。等面积补偿。原理：原理：原理：原理：以双向受拉伸的无限以
10、双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，应力集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在的拉伸即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则。一次应力强度作为设计准则。故对小直径的开孔安全可靠。故对小直径的开孔安全可靠。问题：问题：问题：问题：没有考虑开孔处没有考虑开孔处应力集中应力集中的的影响，没有计入影响，没有计入容器直径变化容器直径变化的影的影响，补强后对不同接管会得到不同响，补强后对不同接管会得到不同的应力集中系数，即安全裕量不同，的应力集中系数，即安全裕量不同，因此有时显得富裕，有时显得不足因
11、此有时显得富裕，有时显得不足。优点：优点：优点：优点：长期实践经验，简单易长期实践经验，简单易行，当开孔较大时，只要对其行，当开孔较大时，只要对其开孔尺寸和形状等予以一定的开孔尺寸和形状等予以一定的配套限制，在一般压力容器使配套限制，在一般压力容器使用条件下能够保证安全，因此用条件下能够保证安全，因此不少国家的容器设计规范主要不少国家的容器设计规范主要采用该方法，如采用该方法，如ASME -1和和GB150等。等。4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计23过程设备设计过程设备设计该法要求带有某种补强结构的接管与壳体发生塑性失效该法要求带有某种补强结构的接管与壳体发生塑性失效时的极限压
12、力和无接管时的壳体极限压力基本相同。时的极限压力和无接管时的壳体极限压力基本相同。（2）极限分析补强）极限分析补强 定义：定义：4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计24过程设备设计过程设备设计三、允许不另行补强的最大开孔直径三、允许不另行补强的最大开孔直径 焊接接头系数小于焊接接头系数小于1但开孔位置不在焊缝上等等但开孔位置不在焊缝上等等强度裕量强度裕量接管和壳体实际厚度大于强度需要的厚度接管和壳体实际厚度大于强度需要的厚度接管根部有填角焊缝接管根部有填角焊缝上述因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从上述因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最
13、大应力。因此，对于满足一定条件的而也降低了开孔处的最大应力。因此，对于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强。开孔接管，可以不予补强。4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计25GB150规定：规定：在设计压力在设计压力2.5MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的2倍，倍，且且且且接管接管公称外径公称外径89mm时，时，只要只要接管最小厚度满足表接管最小厚度满足表4-14要求，就要求，就可不另行补强。可不另行补强。表表4-14 不另行补强的接管最小厚度不另行补强的接管最
14、小厚度 mm6.05.04.03.5897665574845383225接管公接管公称外径称外径最小最小厚度厚度4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计过程设备设计过程设备设计26过程设备设计过程设备设计GB150对开孔最大直径的限制：对开孔最大直径的限制：四、等面积补强计算四、等面积补强计算 主要用于补强圈结构的补强计算。主要用于补强圈结构的补强计算。基本原则：基本原则：使有效补强的金属面积，等于或大于开孔使有效补强的金属面积，等于或大于开孔所削弱的金属面积。所削弱的金属面积。（1）允许开孔的范围）允许开孔的范围a. 圆筒上开孔的限制：圆筒上开孔的限制：内径内径Di1500mm时，开
15、孔最大直径时，开孔最大直径d ，且，且d520mm；内径内径Di1500mm时，开孔最大直径时，开孔最大直径d ，且，且d1000mm。 4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计27过程设备设计过程设备设计b. 凸形封头或球壳上开孔最大直径凸形封头或球壳上开孔最大直径d 。 c. 锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径d ，Di为开孔为开孔中心处的锥壳内直径。中心处的锥壳内直径。d. 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。于封头表面。4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计
16、28过程设备设计过程设备设计a、内压圆筒或球壳：内压圆筒或球壳： （4-76）式中式中 A开孔削弱所需要的补强面积，开孔削弱所需要的补强面积，mm2； d开孔直径开孔直径， 圆形孔：圆形孔：d=dit+2C dit接管内直径；接管内直径；椭圆形或长圆形孔：取所考虑平面上的尺寸椭圆形或长圆形孔：取所考虑平面上的尺寸 （弦长，包括厚度附加量），（弦长，包括厚度附加量），mm；（2）所需最小补强面积）所需最小补强面积A4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计29过程设备设计过程设备设计 壳体开孔处的计算厚度，壳体开孔处的计算厚度，mm； et接管有效厚度，接管有效厚度，et =nt-C，mm
17、； fr强度削弱系数，等于强度削弱系数，等于设计温度设计温度下接管材料与壳体下接管材料与壳体 材料许用应力之比，当该值大于材料许用应力之比，当该值大于1.0时，取时，取fr=1.0。4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计30过程设备设计过程设备设计外压圆筒或球壳：外压圆筒或球壳：（4-77）平盖开孔直径平盖开孔直径d0.5Di：（4-78）式中式中 p平盖计算厚度，平盖计算厚度，mm。开孔造成的削弱是开孔造成的削弱是抗弯截面模量抗弯截面模量抗弯截面模量抗弯截面模量而不是指而不是指承载截面积承载截面积承载截面积承载截面积。按照等面积补强的基本出发点，由于开孔引起的抗弯截面按照等面积补强
18、的基本出发点，由于开孔引起的抗弯截面模量的削弱必须在有效补强范围内得到补强，模量的削弱必须在有效补强范围内得到补强，所需补强的所需补强的所需补强的所需补强的截面积仅为因开孔而引起削弱截面积的一半截面积仅为因开孔而引起削弱截面积的一半截面积仅为因开孔而引起削弱截面积的一半截面积仅为因开孔而引起削弱截面积的一半。b、外压容器或平盖：外压容器或平盖：4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计31过程设备设计过程设备设计图图4-38 有效补强范围示意图（有效补强范围示意图（a）在一定范围内在一定范围内能起补强作用，能起补强作用，除了此范围，除了此范围，则起不到补强则起不到补强作用。作用。有效补强
19、区：有效补强区：矩形矩形WXYZ，见图见图4-38。（3）有效补强范围）有效补强范围4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计32有效宽度有效宽度B：按式（按式（4-79）计算，取二者中较大值）计算，取二者中较大值B=2dB=d+2n+2nt（4-79）式中式中 B补强有效宽度，补强有效宽度，mm； n壳体开孔处的名义厚度，壳体开孔处的名义厚度，mm； nt接管名义厚度，接管名义厚度，mm。4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计过程设备设计过程设备设计33过程设备设计过程设备设计内外侧有效高度：内外侧有效高度：按式（按式（4-80）和式（）和式（4-81）计算，）计算，分别取式
20、中较小值分别取式中较小值（4-80）（4-81）外侧高度外侧高度 h1=接管实际外伸高度接管实际外伸高度 h2=接管实际内伸高度接管实际内伸高度 内侧高度内侧高度4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计34过程设备设计过程设备设计（4-82） （4-83） 有效补强区有效补强区WXYZ范围内，可作为有效补强的金属面范围内，可作为有效补强的金属面积有以下几部分：积有以下几部分：(4)补强范围内补强金属面积补强范围内补强金属面积AeA1壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。 A2接管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
21、多余面积。A4有效补强区内另外再增加的补强元件的金属截面积。有效补强区内另外再增加的补强元件的金属截面积。A3有效补强区内焊缝金属的截面积。有效补强区内焊缝金属的截面积。4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计354.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计图图4-38 有效补强范围示意图（有效补强范围示意图（b）过程设备设计过程设备设计36过程设备设计过程设备设计式中式中 Ae有效补强范围内另加的补强面积，有效补强范围内另加的补强面积，mm2； （也可以说是强度裕量）（也可以说是强度裕量） e壳体开孔处的有效厚度，壳体开孔处的有效厚度，mm； t接管计算厚度，接管计算厚度，mm。
22、若若若若 Ae=A1+A2+A3A则开孔后不需要另行补强。则开孔后不需要另行补强。 若若若若 Ae = A1+ A2+ A3 A则开孔需要另外补强，所增加的补强金属截面积则开孔需要另外补强，所增加的补强金属截面积A4 应满足应满足 A4 A-Ae (4-84)4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计37过程设备设计过程设备设计补强材料一般需与壳体材料相同，若补强材料许用应力补强材料一般需与壳体材料相同，若补强材料许用应力小于壳体材料许用应力，则补强面积按壳体材料与补强小于壳体材料许用应力，则补强面积按壳体材料与补强材料许用应力之比而增加。若补强材料许用应力大于壳材料许用应力之比而增加。
23、若补强材料许用应力大于壳体材料许用应力，则所需补强面积不得减少。体材料许用应力，则所需补强面积不得减少。要求：要求：孔周边会出现较大的局部应力，采用分析孔周边会出现较大的局部应力，采用分析设计标准中规定的方法和压力面积法等方设计标准中规定的方法和压力面积法等方法进行分析计算。法进行分析计算。大开孔补强：大开孔补强：GB150-1998钢制压力容器钢制压力容器第第78页至第页至第81页页多个开孔补强：多个开孔补强：4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计38过程设备设计过程设备设计开孔所需最小补强面积主要由开孔所需最小补强面积主要由d确定，当在内压椭圆形封头确定，当在内压椭圆形封头或内压
24、碟形封头上开孔时，则应区分不同的开孔位置取不同或内压碟形封头上开孔时，则应区分不同的开孔位置取不同的计算厚度。的计算厚度。五、接管方位五、接管方位4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计39过程设备设计过程设备设计在在80%以外开孔：以外开孔：按椭圆形封头的厚度按椭圆形封头的厚度计算式（计算式（4-45）计算：）计算：4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计开孔在椭圆形封头上开孔在椭圆形封头上（4-85）式中，式中，K1为椭圆形长短轴比为椭圆形长短轴比值决定的系数，由表值决定的系数，由表4-5查得查得标准椭圆封头：标准椭圆封头：K10.9（4-45 ）开孔位于以椭圆形封头中心开
25、孔位于以椭圆形封头中心为中心，为中心，80%封头内直径的封头内直径的范围内：范围内：中心部位可视为当量半径中心部位可视为当量半径Ri=K1Di的球壳，的球壳，若为标准椭圆封头，若为标准椭圆封头，K=1（4-46 ）40过程设备设计过程设备设计开孔位于封头球面部分内：开孔位于封头球面部分内：取式（取式（4-49）中的碟形封）中的碟形封头形状系数头形状系数M=1， 开孔在开孔在碟形封头上碟形封头上（4-86）4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计此范围之外：此范围之外：按碟形封头按碟形封头的厚度计算式（的厚度计算式（4-49）计）计算，算，（4-49）41过程设备设计过程设备设计若椭圆孔的长轴和短轴之比不超过若椭圆孔的长轴和短轴之比不超过2.5，一般仍采用，一般仍采用等面积补强法。等面积补强法。非径向接管：非径向接管：尽可能采用径向接管。尽可能采用径向接管。原因：原因：圆筒或封头上须开椭圆形孔，应力集中系数增大，圆筒或封头上须开椭圆形孔，应力集中系数增大，抗疲劳失效的能力降低。抗疲劳失效的能力降低。非径向接管的开孔补强计算：非径向接管的开孔补强计算：4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计42
