壓力容器開孔補強設(shè)計

壓力容器開孔補強設(shè)計1第1頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計主要內(nèi)容補強結(jié)構(gòu)開孔補強設(shè)計準則允許不另行補強的最大開孔直徑等面積補強計算接管方位4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計2第2頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計開孔帶來的問題削弱器壁的強度產(chǎn)生高的局部應力4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計3第3頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計一、容器開孔的連接結(jié)構(gòu)4第4頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計5第5頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計二、補強結(jié)構(gòu)

補強結(jié)構(gòu)局部補強整體補強補強圈補強厚壁接管補強整鍛件補強4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計6第6頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六（1）補強圈補強結(jié)構(gòu)補強圈貼焊在殼體與接管連接處，見下圖優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，使用經(jīng)驗豐富圖4-37（a）補強圈補強缺點1）與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，在中溫以上使用時，存在較大熱膨脹差，在補強局部區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應力；2）與殼體采用搭接連接，難以與殼體形成整體，抗疲勞性能差。4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計7第7頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六一般用在靜載、中溫、中低壓、材料的標準抗拉強度低于540MPa，補強圈厚度小于或等于1.5δn，殼體名義厚度δn≤38mm的場合。其結(jié)構(gòu)形式有如圖所示的3種。8第8頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六補強圈補強過程設(shè)備設(shè)計4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計9第9頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計補強圈補強10第10頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計補強圈補強11第11頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計補強圈12第12頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計中低壓容器應用最多的補強結(jié)構(gòu)，一般使用在靜載、常溫、中低壓、材料的標準抗拉強度低于540MPa、補強圈厚度小于或等于1.5δn、殼體名義厚度δn不大于38mm的場合。應用HG21506-2005《補強圈》JB/T4736-2005《補強圈》標準4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計13第13頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計（2）厚壁接管補強結(jié)構(gòu)在開孔處焊上一段厚壁接管，見（b）圖。特點補強處于最大應力區(qū)域，能更有效地降低應力集中系數(shù)。接管補強結(jié)構(gòu)簡單，焊縫少，焊接質(zhì)量容易檢驗，補強效果較好。圖4-37（b）厚壁接管補強高強度低合金鋼制壓力容器由于材料缺口敏感性較高，一般都采用該結(jié)構(gòu)，但必須保證焊縫全熔透。應用4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計14第14頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計15第15頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計厚壁接管補強16第16頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計厚壁接管補強17第17頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六圖4-37（c）整鍛件補強

（3）整鍛件補強整體鍛件4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計18第18頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計19第19頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計整鍛件補強20第20頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六補強金屬集中于開孔應力最大部位，能最有效地降低應力集中系數(shù)；可采用對接焊縫，并使焊縫及其熱影響區(qū)離開最大應力點，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低10～15%。重要壓力容器，如核容器、材料屈服點在500MPa以上的容器開孔及受低溫、高溫、疲勞載荷容器的大直徑開孔容器等。結(jié)構(gòu)將接管和部分殼體連同補強部分做成整體鍛件，再與殼體和接管焊接。優(yōu)點缺點鍛件供應困難，制造成本較高。應用21第21頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計二、開孔補強設(shè)計準則指采取適當增加殼體或接管厚度的方法將應力集中系數(shù)減小到某一允許數(shù)值。開孔補強設(shè)計：開孔補強設(shè)計準則彈性失效設(shè)計準則——等面積補強法塑性失效準則—極限分析法4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計22第22頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計（1）等面積補強定義：殼體因開孔被削弱的承載面積，須有補強材料在離孔邊一定距離范圍內(nèi)予以等面積補償。原理：以雙向受拉伸的無限大平板上開有小孔時孔邊的應力集中作為理論基礎(chǔ)的，即僅考慮殼體中存在的拉伸薄膜應力，且以補強殼體的一次應力強度作為設(shè)計準則。故對小直徑的開孔安全可靠。問題：沒有考慮開孔處應力集中的影響，沒有計入容器直徑變化的影響，補強后對不同接管會得到不同的應力集中系數(shù)，即安全裕量不同，因此有時顯得富裕，有時顯得不足。優(yōu)點：長期實踐經(jīng)驗，簡單易行，當開孔較大時，只要對其開孔尺寸和形狀等予以一定的配套限制，在一般壓力容器使用條件下能夠保證安全，因此不少國家的容器設(shè)計規(guī)范主要采用該方法，如ASMEⅧ-1和GB150等。4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計23第23頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計該法要求帶有某種補強結(jié)構(gòu)的接管與殼體發(fā)生塑性失效時的極限壓力和無接管時的殼體極限壓力基本相同。（2）極限分析補強定義：4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計24第24頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計三、允許不另行補強的最大開孔直徑焊接接頭系數(shù)小于1但開孔位置不在焊縫上等等強度裕量接管和殼體實際厚度大于強度需要的厚度接管根部有填角焊縫上述因素相當于對殼體進行了局部加強，降低了薄膜應力從而也降低了開孔處的最大應力。因此，對于滿足一定條件的開孔接管，可以不予補強。4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計25第25頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六GB150規(guī)定：在設(shè)計壓力≤2.5MPa的殼體上開孔，兩相鄰開孔中心的間距（對曲面間距以弧長計算）大于兩孔直徑之和的2倍，且接管公稱外徑≤89mm時，只要接管最小厚度滿足表4-14要求，就可不另行補強。表4-14不另行補強的接管最小厚度mm6.05.04.03.5897665574845383225接管公稱外徑最小厚度4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計26第26頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計GB150對開孔最大直徑的限制：四、等面積補強計算主要用于補強圈結(jié)構(gòu)的補強計算?；驹瓌t：使有效補強的金屬面積，等于或大于開孔所削弱的金屬面積。（1）允許開孔的范圍a.圓筒上開孔的限制：內(nèi)徑Di≤1500mm時，開孔最大直徑d≤，且d≤520mm；內(nèi)徑Di＞1500mm時，開孔最大直徑d≤，且d≤1000mm。4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計27第27頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計b.凸形封頭或球殼上開孔最大直徑d≤。c.錐殼（或錐形封頭）上開孔最大直徑d≤，Di為開孔中心處的錐殼內(nèi)直徑。d.在橢圓形或碟形封頭過渡部分開孔時，其孔的中心線宜垂直于封頭表面。4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計28第28頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計a、內(nèi)壓圓筒或球殼：（4-76）式中A—開孔削弱所需要的補強面積，mm2；d—開孔直徑，●圓形孔：d=dit+2Cdit—接管內(nèi)直徑；●橢圓形或長圓形孔：取所考慮平面上的尺寸（弦長，包括厚度附加量），mm；（2）所需最小補強面積A4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計29第29頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計

δ—殼體開孔處的計算厚度，mm；δet—接管有效厚度，δet=δnt-C，mm；fr—強度削弱系數(shù)，等于設(shè)計溫度下接管材料與殼體材料許用應力之比，當該值大于1.0時，取fr=1.0。4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計30第30頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計外壓圓筒或球殼：（4-77）平蓋開孔直徑d≤0.5Di：（4-78）式中δp—平蓋計算厚度，mm。開孔造成的削弱是抗彎截面模量而不是指承載截面積。按照等面積補強的基本出發(fā)點，由于開孔引起的抗彎截面模量的削弱必須在有效補強范圍內(nèi)得到補強，所需補強的截面積僅為因開孔而引起削弱截面積的一半。b、外壓容器或平蓋：4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計31第31頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計圖4-38有效補強范圍示意圖（a）在一定范圍內(nèi)能起補強作用，除了此范圍，則起不到補強作用。有效補強區(qū)：矩形WXYZ，見圖4-38。（3）有效補強范圍4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計32第32頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六有效寬度B：按式（4-79）計算，取二者中較大值B=2dB=d+2δn+2δnt（4-79）式中B—補強有效寬度，mm；δn—殼體開孔處的名義厚度，mm；δnt—接管名義厚度，mm。4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計33第33頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計內(nèi)外側(cè)有效高度：按式（4-80）和式（4-81）計算，分別取式中較小值（4-80）（4-81）外側(cè)高度h1=接管實際外伸高度

h2=接管實際內(nèi)伸高度內(nèi)側(cè)高度4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計34第34頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計（4-82）（4-83）

有效補強區(qū)WXYZ范圍內(nèi)，可作為有效補強的金屬面積有以下幾部分：(4)補強范圍內(nèi)補強金屬面積Ae①A1—殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積。

②A2—接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積。④A4—有效補強區(qū)內(nèi)另外再增加的補強元件的金屬截面積。③A3—有效補強區(qū)內(nèi)焊縫金屬的截面積。4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計35第35頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計圖4-38有效補強范圍示意圖（b）過程設(shè)備設(shè)計36第36頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計式中Ae—有效補強范圍內(nèi)另加的補強面積，mm2；（也可以說是強度裕量）

δe—殼體開孔處的有效厚度，mm；δt—接管計算厚度，mm。若Ae=A1+A2+A3≥A則開孔后不需要另行補強。

若Ae=A1+A2+A3＜A則開孔需要另外補強，所增加的補強金屬截面積A4應滿足

A4≥A-Ae

(4-84)4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計37第37頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計補強材料一般需與殼體材料相同，若補強材料許用應力小于殼體材料許用應力，則補強面積按殼體材料與補強材料許用應力之比而增加。若補強材料許用應力大于殼體材料許用應力，則所需補強面積不得減少。要求：孔周邊會出現(xiàn)較大的局部應力，采用分析設(shè)計標準中規(guī)定的方法和壓力面積法等方法進行分析計算。大開孔補強：GB150-1998《鋼制壓力容器》第78頁至第81頁多個開孔補強：4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計38第38頁，共42頁，2023年，2月20日，星期六過程設(shè)備設(shè)計開孔所需最小補強面積主要由dδ確定，當在內(nèi)壓橢圓形封頭或