開孔補強與設備凸緣課件

1、第十二章 開孔補強與設備凸緣第一節(jié) 開孔補強第二節(jié) 設備凸緣1第一節(jié) 開孔補強 一、開孔應力集中及應力集中系數 二、開孔補強設計 三、等面積補強計算2一、開孔應力集中及應力集中系數容器開孔接管后在應力分布與強度方面會帶來下列影響:1. 開孔破壞了原有的應力分布并引起應力集中。2. 接管處容器殼體與接管形成結構不連續(xù)應力。3. 殼體與接管連接的拐角處因不等截面過渡而引 起應力集中。 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力大，統(tǒng)稱為開孔或接管部位的應力集中。3一、開孔應力集中及應力集中系數常用應力集中系數Kt來描述開孔接管處的力學特性。若未開孔時的名義應力為，開孔后按彈性方法計算

2、出的最大應力為max，則彈性應力集中系數為 壓力容器設計中對于開孔問題研究的兩大方向是：研究開孔應力集中程度，估算Kt值；在強度上如何使因開孔受到的削弱得到合理的補強。4(一)開孔的應力集中1.平板開小孔的應力集中 平板開孔的最大應力在孔邊 處 孔邊沿r=a處：5一、開孔應力集中及應力集中系數(一)開孔的應力集中 1.平板開小孔的應力集中6(一)開孔的應力集中2.薄壁球殼開小圓孔的應力集中孔邊處r=a， , 應力集中系數7(一)開孔的應力集中 3.薄壁圓柱開小圓孔的應力集中 孔邊處r=a，8(一)開孔的應力集中9 最大應力在孔邊，是應力集中最嚴重的地方；應力集中具有局部性；應力集中和 /D 成

3、反比；所以增大開孔四周殼體的壁厚，則可以極大改善應力集中的情況。球殼上開孔的應力集中系數稍低于筒體上開孔的應力集中系數；因此在可能的情況下，在封頭上開孔，優(yōu)于在殼體上開孔。容器開孔產生的應力集中呈現如下特點：1011應力集中對容器安全的影響接管和殼體均為具有良好塑性的材料制成，如果容器內介質壓力平穩(wěn)，對容器的安全使用不會有太大的影響；如果容器內有較大的壓力波動，則應力集中區(qū)的金屬在交變的高應力作用下會出現反復的塑性變形，導致材料硬化，并產生疲勞破壞。應力集中是產生疲勞破壞的根源。12二、開孔補強設計 開孔部分的應力集中將引起殼體局部的強度削弱，若開孔很小并有接管，且接管又能使強度的削弱得以補償

4、，則不需另行補強。若開孔較大，就要采取適當的補強措施。 一般容器只要通過補強將應力集中系數降低到一定的范圍即可。按“疲勞設計”的容器必須嚴格限制開孔接管部位的最大應力。經過補強后的接管區(qū)可以使應力集中系數降低，但不能消除應力集中。13開孔補強設計的基本原則 當在容器開孔后，在孔周圍不需要進行補強的規(guī)定，稱為開孔補強設計的基本原則。 （1）允許不補強開孔的原因 應力集中的局部性原因，根據應力集中的局部性特征，開孔附近的峰值應力，不會產生殼體的整體屈服； 當應力集中系數小于3時，開孔附近除疲勞斷裂外，不產生一般的強度破壞； 容器有效壁厚，是在計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

5、于強度值的要求，從整體上得到了加強。 在壁厚計算公式中，焊縫系數 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，則認為開孔區(qū)的強度承載能力高于焊縫區(qū)。14二、開孔補強設計 (一)允許不另行補強的最大開孔直徑 由于各種強度富余量的存在，開孔并非都要補強。 a.不另行補強的最大孔徑為 b.容器的設計壓力小于等于2.5Mpa； C.當殼體名義厚度大于12mm時，接管直徑小于或等于80mm，當殼體厚度小于12mm，接管直徑小于50mm。15二、開孔補強設計1.圓筒上開孔的限制 當內徑 mm的容器 開孔最大直徑 當內徑 mm的容器 開孔最大直徑 且 mm16二、開孔補強設計的要求2.球殼或

6、其他凸形封頭上的最大開孔直徑 3.錐形封頭上開孔的最大直徑 此處 為開孔中心處錐體的內直徑17（二）補強結構 1、補強圈補強 補強結構是在開孔周圍貼焊一個補強圈，補強圈的材料和厚度一般與殼體相同。（a）需要保證補強圈與殼體全面貼合 (b)需要保證焊縫的全焊透結構 (c) 在補強圈上開有M10的通孔，以充氣檢驗其焊透性18二、開孔補強設計1.補強圈補強 優(yōu)點：結構簡單，制造方便，使用經驗豐富。 缺點：補強區(qū)域分散，抗疲勞性能差。 常用場合：中低壓容器19 2、接管補強（a）優(yōu)點：結構簡單，焊縫小，容易對焊縫質量進行檢驗 (b)缺點：焊縫處在最大應力區(qū)內； (c)當用于重要設備時，應保證焊縫的全焊

7、透性。焊縫磨平 ，進行無損探傷。（d）常用場合：低合金鋼容器或某些高壓容器。203、整鍛件補強結構 將接管與殼體連同加強部分做成一整體鍛件。（a）優(yōu)點：補強金屬集中于開孔應力最大部位，應力集中系數最小。焊縫及熱影響區(qū)離開最大應力點位置，抗疲勞性能優(yōu)越。 (b)缺點：鍛件供應困難，制造煩瑣，成本較高。（c）常用場合：只用于重要的設備，如高壓容器，核容器等。21開孔補強的設計準則 等面積補強準則 該方法認為在有效的補強范圍內，殼體處本身承受內壓所需截面積外的多余截面積A不應少于開孔所減少的有效截面積A0。即 通俗地講：就是由于開孔，殼體承受應力所必需的金屬截面被消弱多少，就必須在開孔周圍的補強范圍

8、內補回同樣面積的金屬截面。 等面積補強法是世界各國延用已久的一種經驗設計方法。22開孔削弱的截面積23三、等面積補強計算 (一)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為接管內徑加上壁后附加量C后的直徑。 T為殼體按內壓或外壓計算所需的計算厚度。 Fr為材料強度削弱系數，即設計溫度下接管材料 與殼體材料許用應力之比，fr1.024三、等面積補強計算 (二)有效補強范圍 等面積補強法認為在右圖中的WXYZ的矩形范圍內補強是有效的。25三、等面積補強計算補強區(qū)寬度： 補強區(qū)外側高度： 補強區(qū)內側高度： 26三、等面積補強計算 (三)補強區(qū)內補強金屬面積A (1)容器殼體設計厚

9、度之外的多余金屬截面積A1 （Area of excess thickness in the vessel wall or shell wall） 27三、等面積補強計算 28三、等面積補強計算(2)接管所需計算厚度之外的多余金屬截面積A2 （Area of excess thickness in the nozzle wall ） t為接管按內壓或外壓計算所需的計算厚度；（The required thickness of nozzle for calculation） C2為接管的腐蝕裕量。29三、等面積補強計算 (3)在有效補強區(qū)內焊縫金屬的截面積A3 (4)在有效補強區(qū)內另加的補強元件

10、的截面積A4 若 則開孔后可不另外補強 若 需要補強，補強面積為30Contents 第一節(jié) 焊接接頭及其分類 第二節(jié) GB150-1998 關于壓力容 器上的焊接接頭的分類 第三節(jié) 焊接接頭的檢驗 第四節(jié) 焊接材料 第十四章 容器的焊接結構（Welded structure of pressure vessels ）31第一節(jié) 焊接接頭及其分類 焊接接頭（welded joints）：指兩個零件或者一個零件的兩個部分在焊接連接部位處的結構總稱。全面描述一個焊接接頭應包括：接頭形式、坡口形式和焊接形式。 （1）接頭形式（types of welded joints）：焊接接頭中兩個相互連接零件

11、的相對位置關系。有對接焊、角接焊、 丁字接焊與搭接焊。32對接焊：兩個相互連接零件在接頭處的中面基本處于同一平面或者同一曲面內；圖（a）角接焊、 丁字接焊；兩個相互連接零件在接頭處的中面相互垂直或者相交于一個角度圖（b）。搭接焊 兩個相互連接零件在接頭處的中面有部分相互重合在一起，他們的中面相互平行。33（2）坡口形式： 如圖所示五種基本形式。 34 等厚度板的對接縫 為了確保焊縫的質量,應盡量采用等厚度對接。厚度在6mm以下的對接縫可以不開坡口。板厚度大于6時,為了防止焊縫出現焊不透的現象,根據不同板厚,開不同形式的坡口。35采用單面坡口原則： 對于容器內空間過小,無法從內部進行焊接時的焊縫

12、,采用單面坡口。板厚 s2Omm時用U型坡口。圖 單面坡口型式 36 采用雙面坡口原則： 當兩面都可以進行焊接時,為了保證焊縫質量,要采用雙面坡口。s=2040mm時用對稱X型,s=306Omm時用對稱U型。 雙面坡口型式(手工焊) 37 必須注意,自動焊和手工焊對于板厚的適用范圍和坡口尺寸均不相同,設計時可參考“GB98588”氣焊、手工焊電弧焊及氣體保護焊焊縫坡口的基本形式與尺寸，“GB98688”埋弧焊焊縫坡口的基本形式與尺寸。38 襯墊板的對接焊縫 當容器內側無法進行焊接而采用單面坡口時,為了保證焊縫根部焊透,常采用帶墊板的對接焊縫,以提高焊縫質量，墊板材料可用鋼或紫銅。應注意墊板與焊

13、接件的密合,焊后最好將墊板拆除,但卻不一定都能做到。 圖 帶墊片的對接焊縫(手工焊) 39 不等厚鋼板的對接焊縫 在不等厚鋼板對接時,應將厚板削薄,使對接處的厚度相同。當薄板厚度s23或s2lOmm, s1-s20.3s2或s1-s25時，均應按圖的要求,削薄厚板邊緣。 圖 不等厚度板的對接 404142（3）焊縫形式定義：表明焊接接頭中熔化面間的關系。與接頭形式有區(qū)別。 對接焊縫 由兩個相對的熔化面及其中間的焊縫金屬組成；43（3）焊縫形式角接焊縫 由相互垂直或者相交為某一角度的兩個熔化面及呈三角形斷面形狀的焊縫金屬所構成。44（3）焊縫形式組合焊縫 是由對接焊縫和角焊縫組合而成的焊縫。45

14、 縱焊縫間的距離 在同一小區(qū)內盡量避免多次焊接，兩相鄰筒節(jié)的縱焊縫要錯開一段距離a,a3s,且a40mm(S為板厚)以避免十字交叉焊縫，如圖1.20示。 圖 縱焊縫間的距離 46 焊縫要盡量離開容器的幾何形狀和壁厚突變的地方，例如當橢圓形封頭與簡體對焊時，一定要加一個直邊過渡部分，讓兩個圓柱體相連，以使焊縫避開應力復雜的區(qū)域。 47第二節(jié) GB150-1998 關于壓力容 器上的焊接接頭的分類 主要是根據壓力容器上的焊接接頭按其所處的位置進行劃分A、B、C、D四類，化類的目的應該是對焊接接頭的檢驗上有所區(qū)別。484950第三節(jié) 焊接接頭的檢驗（1）焊接接頭缺陷 外部缺陷 （1）焊縫截面不豐滿或

15、者余高過高。51 外部缺陷（2）焊縫漫溢。（3）咬邊；52（4）表面氣孔和裂紋 53 主要指氣孔、裂紋、未焊透、夾渣及未熔合等，一般需要采用射線拍片或者超聲波探傷來發(fā)現。內部缺陷541、焊材保管 貯存庫應保持干燥，相對濕度不得大于60% 2、施焊環(huán)境 553焊前預熱 4焊接工藝 56制造過程中的檢驗a.容器各部件在組焊之前必須通過各種檢驗 外觀尺寸與尺寸公差的檢驗b.焊縫檢驗: 射線探傷 超聲波探傷 磁粉探傷 著色法探傷57焊縫檢驗尺5859 超聲波探傷是使用最多的無損探傷方法。 磁粉探傷與著色探傷輔助以檢驗是否存在有表面裂紋。 近年來，超聲波應用日益廣泛，技術也迅速進步。射線探傷易于記錄保存

16、和備查，檢驗可靠。制造過程中最好每完成一個組焊過程便進行一次探傷，發(fā)現超標缺陷及裂紋，用補焊方法予以消除。焊縫檢驗60常用的無損檢測方法的比較611.2.5.在役檢驗與監(jiān)控 實踐證明，壓力容器的爆破事故絕大多數起源于裂紋或其它缺陷的擴展。 在役檢驗定義： 指投入運行前通過了檢查的容器，在服役一定時間以后往往在定期檢修時發(fā)現了裂紋的過程。 裂紋的萌生與擴展的原因可能是由于疲勞、應力腐蝕、高溫下應力的長期作用等。由于裂紋的萌生與擴展有一個過程，因此，在定期檢查時發(fā)現了裂紋并不等于容器就不安全了，但必須慎重對待，要么予以消除，要么經專家進行安全評定，只要這些缺陷仍在斷裂力學計算所認定的安全范圍以內就仍可繼續(xù)使用。但是保留了