压力容器壳体的开孔与补强

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1、压力容器的开孔与补强本章重点内容及对学生的要求：(1) 回转壳体上开小孔造成的应力集中；(2) 开孔补强的原则、补强结构和补强计算；(3) 不另行补强的要求；(4) GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。第一节容器开孔附近的应力集中1、相关概念(1) 容器开孑L应力集中 ( Opening and stress concentration)在压力容器或设备上开孔是化工过程操作所决定的，由于工艺或者结构的需要，容器上经常需要开孔并安装接管，例如：人孔、手孔、进料与出料口等等。容器开孔接管后在应力 分布与强度方面会带来下列影响：开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。接管处容器壳体与接管形成

2、结构不连续应力。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。(2) 应力集中系数( stress concentration factor)常用应力集中系数 Kt来描述开孔接管处的力学特性。若未开孔时的名义应力为 ,开孔后按弹性方法计算出的最大应力为(7 max,则弹性应力集中系数为：Ktmax(1)5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。2、平板开小孔的应力集中Fig. 1 Variation in stre

3、ss in a plate containing a circular hole and subjected to uniform tension设有一个尺寸很大的巨型薄平板，开有一个圆孔，其小圆孔的应力集中问题可以利用弹性力学的方法进行求解。承受单向拉伸应力开小圆孔的应力集中如图1所示，只要板宽在孔径的5倍以上，孔附近的应力分量为：仃r =21 22 、a-2r cr+ _214a2-2r3a2、 +rcos2 日-12ef(3)整锻件补强结构：将接管于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成涮明 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

4、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。补强结构64、开孔补强的设计准则(1)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所需截面积外的多余截面积A不少于开孔所减少的有效截面积A0。等面积补强法是世界各国延用已久的一种经验设计方法。开孔削弱的截面积，指沿壳体纵向截面上的开孔投影面积。心 , 盛 _ 一；式中：d为开孔直径或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，frA,开孔不需要补强A1+A2+A3 A ，开孔

5、需要补强则 A 4AA-(A1+A2+A3)A4 补强金属截面积。( 2 )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。 利用塑性力学方法对带有整体补强的开孔补强结构求解出塑性失效的极限载荷。 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。 。( 3 )开孔补强的其他问题以上是壳体上单个开孔的等面积补强方法， 工程上有时还会碰到并联开孔的情况， 如果各相邻孔之间的空心距离小于两孔平均直径的两倍， 则这些相邻孔可以不再以单孔计算， 而应作并联孔处理。 另外还有开排孔、 平板盖开孔的情况， 其补强设计方法可按照压力容器标准中第六章的相应规定进行。 对于成型封头开孔大小超过时D/2 ，也超出了等面积补强的规定适用范围，此时可采用 “变径段 ” 作过渡。【思考题】( 1 )开孔补强的方法有几种？( 2 )等面积补强法允许的开孔范围是多大？( 3 )大开孔应采用哪种补强方式？( 4 )为什么压力容器壳体上开孔尺寸较小时可不另行补强？9