壓力容器的開孔與接管

1、 l第十二章壓力容器開孔與接管一.重點(diǎn)殼體開孔的壓力特點(diǎn)開孔接管的應(yīng)力集中系數(shù)的定義開孔補(bǔ)強(qiáng)的目的開孔補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)及方法等面積補(bǔ)強(qiáng)的原則等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算面積有哪些?二.殼體上開孔的原因三.殼體上開孔后產(chǎn)生的問題開孔后,造成殼壁不連續(xù),在孔邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中接管后,殼體與管的結(jié)構(gòu)不連續(xù),產(chǎn)生的附加彎應(yīng)力殼體接管的拐角處，由于r引起的局部應(yīng)力.結(jié)果:使孔附近的應(yīng)力比薄膜應(yīng)力大5-6倍,產(chǎn)生疲勞破壞和脆裂12.1容器殼體開孔時(shí)的應(yīng)力分析.平板開小圓孔的應(yīng)力分析分析條件:板長，寬孔徑2a載荷q作用于板上單向拉伸時(shí)的應(yīng)力分析孔區(qū)附近的應(yīng)力解(12-1)式利用彈性力學(xué)理論解知&0r(2)孔邊緣處的應(yīng)力特點(diǎn):時(shí)孔

2、邊緣處的應(yīng)力,TQ0rOQq(l-2cos2O)O時(shí)孔邊緣處的周向應(yīng)力分布特點(diǎn)當(dāng)O0、兀時(shí)，平行于q方向的Oo=_q兀當(dāng)O土一時(shí)，垂直于q方向的秫3q2O時(shí)隨的增大而迅速減小由式可知O雙向拉伸時(shí)的應(yīng)力分析二.薄球殼開小孔的應(yīng)力分析1.分析對象：球半徑R較大6D較小在開孔區(qū)域的殼近似板qqq12孔區(qū)附近的應(yīng)力解利用q1q2q代入(12-4)可知(12-5),即；a21r2丿(q1+竺0”時(shí)，q0min25”當(dāng)0土一時(shí)，q20max21)20丿五.平板開橢圓孔的應(yīng)力分析1.單方向受拉伸時(shí)的應(yīng)力分析(1)長軸平行于受拉方向時(shí)：孔口處r=a時(shí)的應(yīng)力解(12-8)由于其應(yīng)力表達(dá)式較復(fù)雜，僅給出最重要的孔

3、口應(yīng)力表達(dá)式，即|p0r0(12-8)特點(diǎn)孔口處的0分布規(guī)律:0當(dāng)=0、兀時(shí)，在長軸兩端=-qmin1當(dāng)=時(shí)，在短軸的兩端=q(1+)2max1a長軸a垂直于受拉方向時(shí)孔口處的應(yīng)力解(12-9)孔口處的分布規(guī)律當(dāng)=0、兀時(shí)，在長軸兩端：=b=q(12a)：max2b辦當(dāng)=時(shí)，在短軸兩端：=n=q2min22.雙向受拉伸時(shí)的應(yīng)力分析q=2q21(1)孔口處的應(yīng)力解：由(12-8)與(12-9)疊加即知(12-10)(2)孔口邊緣處的分布規(guī)律(特點(diǎn))TOC o 1-5 h z2a2a HYPERLINK l bookmark56由(12-10)可知：在長軸的兩端a=q(1+)q=(0.5+)qma

4、x2b1b22b HYPERLINK l bookmark60在短軸的兩端=Q=q(1+)qmin1a2說明:開橢圓孔時(shí)，最大應(yīng)力在孔邊緣=0、兀處(在長軸兩端)12.2開孔接管處應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算一.開孔接管時(shí)的應(yīng)力集中殼體上開孔與平板開小孔有以下差別：開孔不是小孔.如：人手孔.故開小孔的假設(shè)不成立其理論不能運(yùn)用.容器殼體是曲面，與平板不同.因?yàn)樵陂_孔處由于曲面的影響，殼體存在彎曲應(yīng)力容器開孔接管后，接管對開孔邊緣有約束作用.而平板開小孔理論，沒有考慮接管約束問題，所以對開孔接管問題，必須尋求新的分析方法.接管區(qū)的應(yīng)力分析利用”力法”可求出該區(qū)域的應(yīng)力分布情況和應(yīng)力值“力法”：根據(jù)平衡，幾何

5、和物理方程根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際結(jié)果，查接管區(qū)的應(yīng)力分布圖12-7二開孔接管處的應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算max1.應(yīng)力集中系數(shù)K的概念：(1)作用：求接管處的最大應(yīng)力峰值 l如:球殼：bmaxbKgmax0pDi4葉士筒殼：bmaxKnpDi4設(shè)備實(shí)際最大應(yīng)力殼體基本薄膜應(yīng)力 l2.K的確定方法(1)應(yīng)力指數(shù)法K的大?。翰楸?2-1:適用條件P235(1)-(4)注：徑向接管：接管軸線與殼體半徑同一方向非徑向接管：軸線與殼體半徑不同方向(2)應(yīng)力集中系數(shù)曲線：曲線形成：由理論與實(shí)踐綜合繪出適用條件：不能用指數(shù)法時(shí)采用曲線種類：圖12-12球殼平齊圖12-13球殼內(nèi)入圖12-14圓殼平齊0.01rR0.4曲

6、線適用條件:Q30R150n當(dāng)R150時(shí)，殼體很薄，則K取的比曲線值大些.n因?yàn)殚_孔造成彎曲應(yīng)力效應(yīng)大.應(yīng)力集中系數(shù)曲線的推廣應(yīng)用可用于補(bǔ)強(qiáng)殼體注意:利用曲線查K時(shí)將nt改用nt，nn為接管厚度，為加強(qiáng)后的厚度ntnt將開孔系數(shù)P中的改用查下的K值nnn橢圓封頭上開孔的K.不同點(diǎn):當(dāng)量半徑R=K1Ri1i其中:R是封頭的當(dāng)量半徑;K1是修正系數(shù)，與a/b有關(guān)，查表12-2,R是封頭內(nèi)半徑.1i l12.3開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì).開孔補(bǔ)強(qiáng)的概念開孔補(bǔ)強(qiáng)的目的:降低開孔接管處的應(yīng)力峰值.因?yàn)槿萜鞯膹?qiáng)度條件,所以應(yīng)力峰值降低,設(shè)計(jì)時(shí)降低,S降低.maxnpD2鼻，:pc開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的定義:為降低應(yīng)力集中系數(shù),

7、而作的計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)二.補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)(補(bǔ)強(qiáng)元件類型)1加強(qiáng)管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)圖12-15.(d),(f)即在開孔處焊接一段加厚的接管特點(diǎn):環(huán)焊縫少.易探傷,結(jié)構(gòu)簡單適用范圍:低合金鋼,高壓設(shè)備2.整體鍛件補(bǔ)強(qiáng):(1)結(jié)構(gòu):圖12-15(g),(h),(i)(2)特點(diǎn):優(yōu):對焊,易探傷抗疲勞性能好缺:成本高,加工難適用范圍:高壓重要設(shè)備(3)加強(qiáng)圈的補(bǔ)強(qiáng):結(jié)構(gòu):圖12-15.(a),(b),(c)特點(diǎn):優(yōu):簡單,易加工,使用經(jīng)驗(yàn)豐富缺:抗疲勞性能差，熱應(yīng)力大,K大s補(bǔ)n適用范圍:P241三:殼體開孔的有關(guān)規(guī)定1.允許不補(bǔ)強(qiáng)時(shí)開的最大孔直徑P242.(1)-(4)PW2.5MPac開孔中心距A=兩孔直徑和的2

8、倍.A2(,+,)12接管外徑d0=89mm l接管最小壁厚滿足表內(nèi)要求.min2.殼體上允許開的最大孔直徑d,P242.(l)-max242(l)圓筒D150(時(shí)，d-且520mmimax2DD1500時(shí)，di且1000mmimax3(2)(3)凸形封頭與球殼的d才max2錐殼或錐形封頭的d?(D.為開孔中心處的錐殼內(nèi)徑)max3i注:橢圓,碟形過度段部分開孔時(shí),孔中心線垂直于封頭表面.四.等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法1.各國壓力容器規(guī)范主要采用的準(zhǔn)則(補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則的種類)因?yàn)檠a(bǔ)強(qiáng)的目的是降低開孔接管處的應(yīng)力值,對這個(gè)應(yīng)力值限制在什么范圍內(nèi),就出現(xiàn)了各種補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則.(1)等面積補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則(2)極限分析法(3)

9、安定性理論(4)其它方法:實(shí)驗(yàn)屈服法實(shí)驗(yàn)應(yīng)力法等常用的開孔補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則等面積補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則等面積補(bǔ)強(qiáng)的原則在補(bǔ)強(qiáng)區(qū)(在鄰近開孔處附近處)所加補(bǔ)強(qiáng)材料的截面積A0應(yīng)與開孔而失去的截面積A相等.即A0=A其含義:在于補(bǔ)強(qiáng)殼壁的平均強(qiáng)度,用開孔等面積的外加金屬來補(bǔ)強(qiáng)被削弱的殼壁強(qiáng)度.4.等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法.P243(1)判斷是否要補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算滿足不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑的條件者,不補(bǔ)強(qiáng)(2)計(jì)算開孔失去的面積A.3)確定補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的有效范圍有效寬度B二2dB二d+25+25取大值nt ldd有效高度hhnthnt取小值有效高度1外伸長度2內(nèi)伸長度取小值計(jì)算有效補(bǔ)強(qiáng)面積A0AA,A,A,A01234A殼體承受內(nèi)壓或外壓所需設(shè)計(jì)厚度之外的的多余金屬面積1A(B-d)(-)-2(-c)(-)(1-f)enterA接管承受內(nèi)壓或外壓所需的設(shè)計(jì)厚度之外的多余金屬面積2dA2h(-c)f,2h(-c-c)f1ntdr2nt2r其中()計(jì)算設(shè)計(jì)厚度edc厚度附加量cc+c12f強(qiáng)度削弱系數(shù)rA補(bǔ)強(qiáng)區(qū)焊縫面積3AJ底高)232A補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)另加