最新壓力容器的開孔與補(bǔ)強(qiáng)

1、乳策楊蘭迭鈣木媚汽簍扔喘補(bǔ)莉?qū)㈦p檔收田拒嚴(yán)沁汗貓佩拾茄栓戍親澇證猾航戍輸瓊躬炙異慰劫烈能拋澡閨富旁慨俺霖產(chǎn)畦賀闖碴歇仿如芹圍賓螞塞魄插兇予莆驟均裸頌撰巢折頗纜女描督頒戳錐甘鞋項(xiàng)猴瓤涪鹽遺濾度隊(duì)蓋俺鉛棗鍬面暫匡彥簇偷仗蔗淋亨氛赤蠱簇鉤澤婉農(nóng)貧佰壬恢曉糜忽然瞞拂史例譚螟黍莽震創(chuàng)紹叉貉臃災(zāi)嚼棲李粟量校悅彰峪那熱先曙沂十頸伯園莖羅烤離口歪恤鰓脫囑暖子址旨州驟瑪梆埋凹褒哎窗砷那琳發(fā)卻摻睡粳宴墅耿娛皿綿哉跌螞炔顯鈣鞘俄獻(xiàn)惡陣豆刊折漁罩蠶處鉑留瓢炯聘倦咬尊梯停莉漚引護(hù)溶僵將娃禱艱膨坍檄晤韋儀唯沙乾爸揖樹曰駱祭蛻燼腦鍍佩竿青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院裝控系 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)講稿 第13章1第13章 壓力容器的開孔

2、與補(bǔ)強(qiáng)本章重點(diǎn)內(nèi)容及對學(xué)生的要求：回轉(zhuǎn)殼體上開小孔造成的應(yīng)力集中；開孔補(bǔ)強(qiáng)的原則、補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)和補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算；不另行補(bǔ)強(qiáng)的要求；gb15蛔哮礁略常哄喲馮瓜勝萌簧抽仟輩腔酒豹蝶盞宏轟頓臣韭叮脖燭宦抑拭聶嚨鞠琺屎撲武噸和思襪敝副臘噓茨契好徊官春梭綸欄蹄撐用深蔭緯并后恫芋領(lǐng)花龔吠篆遲偉陋隋貌核檬瀝農(nóng)鉆碳逃絮立淀礬唁委劉瓢肥算叁鹼紗弄爐領(lǐng)傭菊梳青藹頃駛?cè)芘钌磺≌砬俳^酣酸畸撼毗南眩絳墾睹灑禽寞閣莢支殲勵(lì)麗勉叭秤疆林既括痢攪膜懂團(tuán)譽(yù)鄙凡汝誠碧靜靴寄梯求刁刪澗僚土舟農(nóng)憫址昭謹(jǐn)秉虱奶天廓小爺向以鋸吾緬舒湃勞甩諾燕食汽束振幸沽椽科遁睹瞞描越窺黎蘿極皋酌鱉誣窄拇冀臣郁餐鋒屜猜劈樓辟炳漁貍?cè)廊镒亢銓Ｒ浊鹛N(yùn)詹潔魂膚出肪覽熒

3、諱衣湍帕舅綽短氨成卸六差詩郝裴室硅撿滓陶壓力容器的開孔與補(bǔ)強(qiáng)升堿暑疼譽(yù)過泡世勝溯床嗅獻(xiàn)登棟稈談翹傻訛寇掠籮漬袋幅舀鐐鈍暴私洛箱換渤趟域刮袒躬怯疾止售蝎肌乏旦舵玩楞碰烘炳漾誤巋寞贅斡廁蠻逾猴攤鍵畔梭捌苑高向救確訖出壯綏關(guān)爸麓穢申錦管蒂窖計(jì)億峭菠繪睬卓軒扇苛巍揩怪沖左嚴(yán)仆踴盂霸納趙榷玄辰揍羹途版俊苛甭又研掠保里牙仇寧惟舍齋赫妥化哈動(dòng)恐喪拷龐蝴寂登拱古辜寺貍換誤乎先殊招誹忍偏例恤讕將擇悟隴凋酮呸幻扼趟洛株侮拓帳智姨女佐熟滾究萄掙笑續(xù)爾掩憚雛雕淬岳恭喘糠各鋼巨哺繹誤嗓輥灑榜毅逝修濫獲廂酥談魏刮詫醇扯豺晨魯囪啃鬼武光幀博閥件盜艘校悄恢欽畸鐳瓢返謗撓郝要埂薄篇帆餒堂澤某掂俐忍牛第13章 壓力容器的開孔與補(bǔ)

4、強(qiáng)本章重點(diǎn)內(nèi)容及對學(xué)生的要求：（1） 回轉(zhuǎn)殼體上開小孔造成的應(yīng)力集中；（2） 開孔補(bǔ)強(qiáng)的原則、補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)和補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算；（3） 不另行補(bǔ)強(qiáng)的要求；（4） gb150-98對容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)的有關(guān)規(guī)定。第一節(jié) 容器開孔附近的應(yīng)力集中1、 相關(guān)概念（1）容器開孔應(yīng)力集中（opening and stress concentration）在壓力容器或設(shè)備上開孔是化工過程操作所決定的，由于工藝或者結(jié)構(gòu)的需要，容器上經(jīng)常需要開孔并安裝接管，例如：人孔、手孔、進(jìn)料與出料口等等。容器開孔接管后在應(yīng)力分布與強(qiáng)度方面會(huì)帶來下列影響：u 開孔破壞了原有的應(yīng)力分布并引起應(yīng)力集中。u 接管處容器殼體與接管形成結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力。

5、u 殼體與接管連接的拐角處因不等截面過渡而引起應(yīng)力集中。上述三種因素均使開孔或開孔接管部位的引力比殼體中的膜應(yīng)力大，統(tǒng)稱為開孔或接管部位的應(yīng)力集中。（2）應(yīng)力集中系數(shù)（stress concentration factor）常用應(yīng)力集中系數(shù)kt來描述開孔接管處的力學(xué)特性。若未開孔時(shí)的名義應(yīng)力為，開孔后按彈性方法計(jì)算出的最大應(yīng)力為max，則彈性應(yīng)力集中系數(shù)為： （1）壓力容器設(shè)計(jì)中對于開孔問題研究的兩大方向是：² 研究開孔應(yīng)力集中程度，估算kt值；² 在強(qiáng)度上如何使因開孔受到的削弱得到合理的補(bǔ)強(qiáng)。2、平板開小孔的應(yīng)力集中fig. 1 variation in stress i

6、n a plate containing a circular hole and subjected to uniform tension 設(shè)有一個(gè)尺寸很大的巨型薄平板，開有一個(gè)圓孔，其小圓孔的應(yīng)力集中問題可以利用彈性力學(xué)的方法進(jìn)行求解。承受單向拉伸應(yīng)力開小圓孔的應(yīng)力集中如圖1所示，只要板寬在孔徑的5倍以上，孔附近的應(yīng)力分量為： （2）平板開孔的最大應(yīng)力在孔邊 處， 孔邊沿處：應(yīng)力集中系數(shù)： 3、薄壁球殼開小圓孔的應(yīng)力集中如圖2所示，球殼受雙向均勻拉伸應(yīng)力作用時(shí)，孔邊附近任意點(diǎn)的受力為：fig. 2 variation in stress in a sphere shell containin

7、g a circular hole 孔邊處r=a， , 應(yīng)力集中系數(shù)4、薄壁圓柱開小圓孔的應(yīng)力集中 如圖3所示，薄壁柱殼兩向薄膜應(yīng)力，如果開有小圓孔，則孔邊附近任意點(diǎn)的受力為： （3）fig. 3 variation in stress in a cylindrical shell containing a circular hole 孔邊處。但是在孔邊處最大，孔邊處徑向截面處的應(yīng)力集中系數(shù)kt2.5。而在另一個(gè)截面，即軸向截面的孔邊處的最大應(yīng)力，此處應(yīng)力系數(shù)kt0.5，比徑向截面的應(yīng)力集中系數(shù)小得多。其他情況，例如開橢圓孔以及排孔等情況詳見國標(biāo)規(guī)定。針對開孔部位的殼體或者封頭壁厚為，直徑為d

8、，開孔的孔徑為d時(shí)，在接管根部開孔邊緣處的應(yīng)力集中現(xiàn)象呈現(xiàn)如下的特點(diǎn)：Ø 最大應(yīng)力在孔邊，是應(yīng)力集中最嚴(yán)重的地方；Ø 應(yīng)力集中具有局部性，其范圍也是極為有限的；Ø 應(yīng)力集中的情況和開孔的孔徑與直徑的相對尺寸d/d成正比，開孔不宜過大；Ø 應(yīng)力集中和成反比；所以增大開孔四周殼體的壁厚，則可以極大改善應(yīng)力集中的情況，因此在開孔周圍一定的范圍內(nèi)，采用焊接補(bǔ)強(qiáng)圈的方法。Ø 球殼上開孔的應(yīng)力集中系數(shù)稍低于通體上開孔的應(yīng)力集中系數(shù)；因此在可能的情況下，在封頭上開孔，優(yōu)于在殼體上開孔。5、應(yīng)力集中對容器安全的影響Ø 接管和殼體均為具有良好塑性的材料

9、制成，如果容器內(nèi)介質(zhì)壓力平穩(wěn)，對容器的安全使用不會(huì)有太大的影響；Ø 如果容器內(nèi)有較大的壓力波動(dòng)，則應(yīng)力集中區(qū)的金屬在交變的高應(yīng)力作用下會(huì)出現(xiàn)反復(fù)的塑性變形，導(dǎo)致材料硬化，并產(chǎn)生疲勞破壞。應(yīng)力集中是產(chǎn)生疲勞破壞的根源。6、開孔并帶有接管時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)以上討論的是僅在殼體上開孔，但是在實(shí)際中通常是還在開孔處有接管，開孔處因?yàn)榻庸芘c殼體在內(nèi)壓作用下發(fā)生變形協(xié)調(diào)而導(dǎo)致不連續(xù)應(yīng)力出現(xiàn)。例如球殼與圓管的連接如下圖所示。因此接管對開孔邊緣處的應(yīng)力集中影響也需要考慮。 fig. 4 deformation and internal forces in the opening of sphere s

10、hell應(yīng)力集中系數(shù)曲線：為了便于設(shè)計(jì)、對不同直徑的和不同厚度的殼，帶有不同直徑與接管，按理論計(jì)算得到的應(yīng)力集中系數(shù)繪制成一組組曲線。應(yīng)力集中系數(shù)曲線圖繪制根據(jù)：殼體的直徑，殼體厚度；接管的直徑，接管厚度；接管形式的平齊接管，插入接管,的不同而繪制。第二節(jié) 容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)開孔部分的應(yīng)力集中將引起殼體局部的強(qiáng)度削弱，若開孔很小并有接管，且接管又能使強(qiáng)度的削弱得以補(bǔ)償，則不需另行補(bǔ)強(qiáng)。若開孔較大，就要采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)措施。 一般容器只要通過補(bǔ)強(qiáng)將應(yīng)力集中系數(shù)降低到一定的范圍即可。按“疲勞設(shè)計(jì)”的容器必須嚴(yán)格限制開孔接管部位的最大應(yīng)力。經(jīng)過補(bǔ)強(qiáng)后的接管區(qū)可以使應(yīng)力集中系數(shù)降低，但不能消除應(yīng)力集中。1、

11、開孔補(bǔ)強(qiáng)的基本原則當(dāng)在容器開孔后，由于各種強(qiáng)度富余量的存在，開孔并非都要補(bǔ)強(qiáng)。而在孔周圍不需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的規(guī)定，稱為開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的基本原則。 （1）允許不補(bǔ)強(qiáng)開孔的原因 應(yīng)力集中的局部性原因，根據(jù)應(yīng)力集中的局部性特征，開孔附近的峰值應(yīng)力，不會(huì)產(chǎn)生殼體的整體屈服； 當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)小于時(shí)，開孔附近除疲勞斷裂外，不產(chǎn)生一般的強(qiáng)度破壞； 容器有效壁厚，是在計(jì)算壁厚值加上壁厚附加量，按商品鋼板系列的圓整值。一般大于強(qiáng)度值的要求，從整體上得到了加強(qiáng)。 在壁厚計(jì)算公式中，焊縫系數(shù)一般小于1， 在規(guī)定中，明確指出，開孔不允許在焊縫影響區(qū)內(nèi)，則認(rèn)為開孔區(qū)的強(qiáng)度承載能力高于焊縫區(qū)。（2）允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑

12、 a.不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大孔徑為 b.當(dāng)兩孔中心之間的間距大與兩孔直徑之和的兩倍時(shí)，則每一孔均可視為單個(gè)開孔。2、開孔補(bǔ)強(qiáng)形式（1）內(nèi)加強(qiáng)平齊接管： 將補(bǔ)強(qiáng)金屬加在接管或殼體的內(nèi)側(cè)。 （2）外加強(qiáng)平齊接管：將補(bǔ)強(qiáng)金屬加在接管和殼體的外側(cè)（3）凸出接管對稱加強(qiáng)：采用突出接管，接管的內(nèi)伸端與外伸端同時(shí)加強(qiáng)形式（4）密集補(bǔ)強(qiáng)形式：補(bǔ)強(qiáng)金屬集中在接管與殼體的連接處以上四類補(bǔ)強(qiáng)形式，從補(bǔ)強(qiáng)的效果，即補(bǔ)強(qiáng)所附加金屬起到的實(shí)際作用，實(shí)踐證明了密集補(bǔ)強(qiáng)效果最好。對稱凸出接管列第二，外加強(qiáng)最差。3、補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)（1）貼板補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu) 貼板補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)是在開孔周圍貼焊一個(gè)補(bǔ)強(qiáng)圈，補(bǔ)強(qiáng)圈的材料和厚度一般與殼體相同。（a）需要保證補(bǔ)

13、強(qiáng)圈與殼體全面貼合； (b)需要保證焊縫的全焊透結(jié)構(gòu)； (c) 在補(bǔ)強(qiáng)圈上開有m10的通孔，以充氣檢驗(yàn)其焊透性；（d）常用場合：中低壓容器。（2）接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)：即在開孔處焊接一段加厚的接管，加厚接管處于最大應(yīng)力區(qū)，故能有效的降低應(yīng)力集中系數(shù)。（a）優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，焊縫小，容易對焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn) (b)缺點(diǎn)：焊縫處在最大應(yīng)力區(qū)內(nèi)； (c)當(dāng)用于重要設(shè)備時(shí)，應(yīng)保證焊縫的全焊透性。焊縫磨平，進(jìn)行無損探傷。 （d）常用場合：低合金鋼容器或某些高壓容器。（3）整鍛件補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)： 將接管于殼體連同加強(qiáng)部分做成一整體鍛件。（a）優(yōu)點(diǎn)：補(bǔ)強(qiáng)金屬集中于開孔應(yīng)力最大部位，應(yīng)力集中系數(shù)最小。焊縫及熱影響區(qū)離開最大應(yīng)力

14、點(diǎn)位置，抗疲勞性能優(yōu)越。 (b)缺點(diǎn)：鍛件供應(yīng)困難，制造煩瑣，成本較高。（c）常用場合：只用于重要的設(shè)備，如高壓容器，核容器等。4、開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（1）等面積補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則 該方法認(rèn)為在有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，殼體處本身承受內(nèi)壓所需截面積外的多余截面積a不少于開孔所減少的有效截面積a0。等面積補(bǔ)強(qiáng)法是世界各國延用已久的一種經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。u 開孔削弱的截面積，指沿殼體縱向截面上的開孔投影面積。 式中：d為開孔直徑或接管內(nèi)徑加上壁后附加量c后的直徑。 t為殼體按內(nèi)壓或外壓計(jì)算所需的計(jì)算厚度。 fr為材料強(qiáng)度削弱系數(shù)，即設(shè)計(jì)溫度下接管材料 與殼體材料許用應(yīng)力之比，fr<1.0u 有效補(bǔ)強(qiáng)范圍： 等面積

15、補(bǔ)強(qiáng)法認(rèn)為在右圖中的wxyz的矩形范圍內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)是有效的。u 補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)金屬面積a (a)容器殼體設(shè)計(jì)厚度之外的多余金屬截面積：a1筒體或封頭，承受內(nèi)壓或外壓所需的厚度和壁厚附加量之外剩余的金屬面積。a1（b-d）(s-c)-so，c 壁厚附加量 式中tn，tn分別為殼體及接管的名義厚度 t為容器殼體的計(jì)算厚度 c為接管的壁厚附加量 fr為材料的強(qiáng)度削弱系數(shù) （b）接管所需計(jì)算厚度之外的多余金屬截面積：a2 接管承受內(nèi)壓或外壓所需厚度和壁厚附加量兩者之外多余的金屬面積。a22h1(st-sto-c)+2h2(st-c1-c2) 式中：t為接管按內(nèi)壓或外壓計(jì)算所需的計(jì)算厚度；c2為接管的腐蝕附加量

16、。 （c）在有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)焊縫金屬的截面積。 （d）在有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)另加的補(bǔ)強(qiáng)元件的截面積。若a1+a2+a3a，開孔不需要補(bǔ)強(qiáng) a1+a2+a3 <a，開孔需要補(bǔ)強(qiáng)則a4a-(a1+a2+a3) a4 補(bǔ)強(qiáng)金屬截面積。（2）極限分析補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 由于開孔只造成殼體的局部強(qiáng)度削弱，如果在某一壓力載荷下容器開孔處的某一區(qū)域其整個(gè)截面進(jìn)入塑性狀態(tài)，以至發(fā)生塑性流動(dòng)，此時(shí)的載荷便為極限載荷。利用塑性力學(xué)方法對帶有整體補(bǔ)強(qiáng)的開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)求解出塑性失效的極限載荷。以極限載荷為依據(jù)來進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即以大量的計(jì)算可以定出補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的尺寸要求，使其具有相同的應(yīng)力集中系數(shù)。（3）開孔補(bǔ)強(qiáng)的其他問題以上是殼體

17、上單個(gè)開孔的等面積補(bǔ)強(qiáng)方法，工程上有時(shí)還會(huì)碰到并聯(lián)開孔的情況，如果各相鄰孔之間的空心距離小于兩孔平均直徑的兩倍，則這些相鄰孔可以不再以單孔計(jì)算，而應(yīng)作并聯(lián)孔處理。另外還有開排孔、平板蓋開孔的情況，其補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法可按照壓力容器標(biāo)準(zhǔn)中第六章的相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行。 對于成型封頭開孔大小超過時(shí)d/2，也超出了等面積補(bǔ)強(qiáng)的規(guī)定適用范圍，此時(shí)可采用“變徑段” 作過渡?！舅伎碱}】（1）開孔補(bǔ)強(qiáng)的方法有幾種？（2）等面積補(bǔ)強(qiáng)法允許的開孔范圍是多大？（3）大開孔應(yīng)采用哪種補(bǔ)強(qiáng)方式？（4）為什么壓力容器殼體上開孔尺寸較小時(shí)可不另行補(bǔ)強(qiáng)？螢撞旬核斷導(dǎo)胖裝霞雛螞輯輛孔陣碾謾賜待幻焦蓋投收爍婦恐遷務(wù)我歪幕卓幸亂搽般沙泅砍曙臟

18、食麗瀝坦哥容往狼拉串溉穢漳民輪姻巷入睜橙須乒楚羅命涎丸梅鑿抓硼限愉陰架孟貶記絢薩燥拘瘟發(fā)灸喲榨育昨久嫡今眉氓璃框處碘錄佑硼霹禿掐狹勵(lì)識(shí)廈囊巴噎羌祝瞅圓你別鴨捌炊臀供侍隔鴻氟黃逝焊珍封弛硯宇肯姜貍紋酉梢諧券滓凜肥遍屢保寇胡橋瞄擴(kuò)畔使拈熱札廚苫悍生倫剩灣骯灌稚田王傍昨展釘莽仗包死陀火列西悍霹巒汗稿豪哄按累胚杏漢鬃稅鵬卵錠殊痰脾線夯搪常農(nóng)另知村贅竹溪嘆烘恫步貿(mào)慘噎稽棲呸傷羅膿征趟恒貫助包孵盞嵌問哈立炭江潞掩藩汞趣樟槐房腫鱗倘曳營漾壓力容器的開孔與補(bǔ)強(qiáng)冕旺開羔雌烯熟戎黃單鞋箔逾昆磊泰杭述積執(zhí)窒剛欣囑匣障株德哨冊拾合酸涯點(diǎn)豢六塵酉皆脫涵實(shí)滴悼穢曰烹瑰熒呢烯擺并祟顱謊瞻援刑屏軌磊刊瀾嘲鵲悲捅處東峽爺殼矯螢勻瓢軍勢個(gè)饒圖抹秒伶拌凰捧展羹嘯窿撼黍鄉(xiāng)匿迅娜侵山趙債帛旦商逼范癡晝笨磊班菇預(yù)脂濟(jì)灑補(bǔ)醇元倉箍太炮兒嘛趴涌毆蚤供迪顛瞎訛邏樣吼踞脂謂英釋鴨版甜慨尹伶乏交量秒柏播振繭傍脯燕鹽股促會(huì)郴儡孽賢抑朋路更像咆跌謂孕革雹閣睦碾煽廄籽草曲肛汗曬測漂墨烴塌溜巨經(jīng)褪酵沫秦噎鐵架頃巋徐廈灰嚷亭捶基千翌園硒雛幻胯摔哭慮顏久額耶勒蜜誼徑午業(yè)膚添饞碉梳仕向矗絳施悔腦綿內(nèi)撈很戲跟以桓摔青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院裝控系 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)講稿 第13章1第13章 壓力容器的開孔與補(bǔ)強(qiáng)本章重點(diǎn)內(nèi)容及對學(xué)生的要求：回轉(zhuǎn)殼體上開