1、2023-7-28开孔补强与设备凸缘开孔补强与设备凸缘一一.容器开孔附近的应力集中容器开孔附近的应力集中（一）受拉平板上小孔边缘处的应力分布 开有小圆孔的平板开有小圆孔的平板 （1 1）单向拉伸的平板）单向拉伸的平板 如下图所示如下图所示:小圆孔距板边较远小圆孔距板边较远,半径为半径为a a。根据弹性力学理。根据弹性力学理论推导出距孔心为论推导出距孔心为的点的点K K的径向应力的径向应力r r,切向应切向应力力和剪应力和剪应力rr:返回在小孔边缘在小孔边缘,即即=a=a时时:即在小孔边缘即在小孔边缘只有只有切向应力切向应力,其分布很不均匀其分布很不均匀,如图如图12-112-1。图12-1 由
2、公式可以看出由公式可以看出,增大增大,r r,会逐渐增大会逐渐增大,但不会超但不会超过过q,q,而而则随则随值增加而迅速衰减值增加而迅速衰减,如图如图:-综上所述，受单向拉力综上所述，受单向拉力q q的矩形平板，因开孔引起的最的矩形平板，因开孔引起的最大拉应力出现在孔边，作用在过孔心并与大拉应力出现在孔边，作用在过孔心并与q q力垂直的截面上。力垂直的截面上。最大压应力也出现在孔边，作用在过孔心与最大压应力也出现在孔边，作用在过孔心与q q力平行的截面力平行的截面上。上。（2）双向拉伸的平板）双向拉伸的平板当两向拉力不同时，在弹当两向拉力不同时，在弹性变形范围内开孔附近应性变形范围内开孔附近应
3、力可叠加求解。力可叠加求解。q1q22a 若平板受双向压力，则可用单向受压平板的上述结论若平板受双向压力，则可用单向受压平板的上述结论分别计算分别计算q q1 1和和q q2 2单独作用时的应力值，然后进行叠加。如：单独作用时的应力值，然后进行叠加。如：当当q q1 1qq2 2时时,可计算出最大切向应力在可计算出最大切向应力在 孔的边缘处，其孔的边缘处，其值为：值为：即最大应力总是在与较大的拉应力方向相垂直并通过孔心即最大应力总是在与较大的拉应力方向相垂直并通过孔心的截面上。的截面上。当球壳直径较大，当球壳直径较大，q1=q2 时时 在在r=a的孔边处的孔边处max=2q，孔边应，孔边应力高
4、于原离孔区附近的力高于原离孔区附近的均匀应力一倍。均匀应力一倍。(3)回转壳体上开小圆孔回转壳体上开小圆孔在直径较大的薄壁圆筒上开小圆孔，此时在直径较大的薄壁圆筒上开小圆孔，此时q1=2q2在在 r=a 处处=0，时，时，max=q2;=/2时，时，max=5q2。max比远离孔口区域圆筒壳中的周向应力大比远离孔口区域圆筒壳中的周向应力大2.5倍倍。由此可知，由此可知，孔边的应力远大于无孔时的应力，也远大孔边的应力远大于无孔时的应力，也远大于距孔边稍远处的应力，这种现象称于距孔边稍远处的应力，这种现象称孔边应力集中。孔边应力集中。孔边孔边应力集中是局部现象应力集中是局部现象，在几倍孔径以外，应
5、力分布情况及在几倍孔径以外，应力分布情况及数值大小都几乎与无孔时相同。一般讲，数值大小都几乎与无孔时相同。一般讲，应力集中的程度应力集中的程度越高，集中现象越是局部性的。越高，集中现象越是局部性的。开有椭圆孔的平板开有椭圆孔的平板abq1q1q2q2 开有椭圆孔的平板受单向开有椭圆孔的平板受单向拉伸拉伸(q(q2 2=0),=0),长轴与受力方向长轴与受力方向平行时平行时,短轴两端切向应力最短轴两端切向应力最大大,其值为其值为:短轴与受力方向平行时短轴与受力方向平行时,长轴两端切向应力最大长轴两端切向应力最大,其值为其值为:若平板受双向拉力若平板受双向拉力,且且q q1 1qq2 2,则当长轴
6、与则当长轴与q q1 1平行时平行时,最大应力最大应力出现的区域需通过以下两式计算出现的区域需通过以下两式计算:在短轴两端在短轴两端:在长轴两端在长轴两端:当椭圆长轴与较大外力当椭圆长轴与较大外力q q1 1方向垂直时方向垂直时,最大应力出现在长最大应力出现在长轴两端轴两端,其值为其值为:由此可见由此可见,最不利的是使椭圆的长轴与大的外力方向垂直。最不利的是使椭圆的长轴与大的外力方向垂直。二、回转壳体上开小孔时所造成的应力集中二、回转壳体上开小孔时所造成的应力集中 以下讨论有两个前提以下讨论有两个前提:(一一)孔的半径孔的半径a a相对于壳体的曲率半径相对于壳体的曲率半径R R很小很小,壳体可
7、近壳体可近 似当作平板似当作平板。(二二)开孔处未安装接管。开孔处未安装接管。若忽略壳体曲率的影响若忽略壳体曲率的影响,则开小孔的球壳可近似看成开小孔受双则开小孔的球壳可近似看成开小孔受双向拉伸的平板向拉伸的平板,且且 (是球壳中的薄膜应力是球壳中的薄膜应力).).球壳上开小圆孔球壳上开小圆孔于是于是,球壳上小孔边缘任一点的环向应力均为球壳上小孔边缘任一点的环向应力均为:球壳开孔边缘上的最大切向应力与该球壳环向薄膜应力之球壳开孔边缘上的最大切向应力与该球壳环向薄膜应力之比称为比称为应力集中系数应力集中系数,用用K K表示表示:圆柱壳体上开小圆孔圆柱壳体上开小圆孔 若忽略圆柱曲率影响若忽略圆柱曲
8、率影响(当当a/Ra/R较小时较小时),),则可把圆柱壳看成双则可把圆柱壳看成双向受拉平板向受拉平板,且且q q1 1=,q,q2 2=m m。孔边的最大应力出现在。孔边的最大应力出现在孔中心孔中心线所在的壳体纵向截面上线所在的壳体纵向截面上,其值为其值为:应力集中系数应力集中系数(边缘地区最大应力与周向薄膜应力之比边缘地区最大应力与周向薄膜应力之比):):可见，可见，圆柱形壳体上开孔的应力集中系数比球形壳体的大，圆柱形壳体上开孔的应力集中系数比球形壳体的大，而且球壳上的薄膜应力比筒体的轴向薄膜应力小一半（当二者而且球壳上的薄膜应力比筒体的轴向薄膜应力小一半（当二者壁厚相等时壁厚相等时),因此
9、因此,具有球形封头的压力容器，具有球形封头的压力容器，若需开孔时，应若需开孔时，应尽量开在封头上。尽量开在封头上。对于球壳对于球壳:=m m,所以不论椭圆孔的方向如何所以不论椭圆孔的方向如何:壳体上开小椭圆孔壳体上开小椭圆孔 当接管的轴线方向和壳体开孔中心点的法线方向不一致时，当接管的轴线方向和壳体开孔中心点的法线方向不一致时，壳体上需开椭圆孔。壳体上需开椭圆孔。可见无论是球壳还是圆柱壳，如果接管的方向不垂直于壳可见无论是球壳还是圆柱壳，如果接管的方向不垂直于壳体，将使孔边应力集中系数增大。体，将使孔边应力集中系数增大。对于圆柱壳对于圆柱壳:=2=2m m,如果椭圆孔的长轴与壳体轴线平如果椭圆
10、孔的长轴与壳体轴线平行行,则则:（二）容器接管附近的应力集中（二）容器接管附近的应力集中 当容器上开孔较大当容器上开孔较大,开孔后安装接管时开孔后安装接管时,就必须考虑壳体就必须考虑壳体自身的曲率半径及接管对开孔边缘处应力集中的影响。自身的曲率半径及接管对开孔边缘处应力集中的影响。为方便使用，通常把各种不同尺寸的开孔接管附近的应力峰值，为方便使用，通常把各种不同尺寸的开孔接管附近的应力峰值，根据理论计算或通过实验实测出来，然后以应力集中系数的形式根据理论计算或通过实验实测出来，然后以应力集中系数的形式绘成曲线（旧教材图绘成曲线（旧教材图12-1212-12，12-1312-13）。曲线的横坐标
11、）。曲线的横坐标称为开孔称为开孔系数系数 式中式中:r-:r-开孔半径开孔半径(接管半径接管半径,中径中径)R-R-壳体半径壳体半径(中径中径)r/R-r/R-接管尺寸接管尺寸(即开孔即开孔)的相对大小的相对大小 R/R/与壳体刚度有关与壳体刚度有关,壳体刚度越差壳体刚度越差,接管直径越大时接管直径越大时,则则开孔系数开孔系数一般也越大。一般也越大。越大越大,应力集中越严重。应力集中越严重。从两组曲线还可看出从两组曲线还可看出,增加接管壁厚可减小应力集中程度增加接管壁厚可减小应力集中程度。上述曲线对开孔大小的限制范围是上述曲线对开孔大小的限制范围是:对壳体壁厚的限制范围是对壳体壁厚的限制范围是
12、:压力容器的壳体与接管都是用塑性良好的钢材制造的。压力容器的壳体与接管都是用塑性良好的钢材制造的。(1)(1)若容器内介质压力平稳，接管开孔边缘处的应力峰若容器内介质压力平稳，接管开孔边缘处的应力峰值对容器的安全使用不会产生太大影响。值对容器的安全使用不会产生太大影响。(2)(2)若容器内的压力有较大若容器内的压力有较大波动波动或呈或呈周期性变化周期性变化（频繁（频繁开开,停车），则器壁内的应力也跟着变化。停车），则器壁内的应力也跟着变化。处于应力集中区处于应力集中区内的金属易产生内的金属易产生疲劳破坏疲劳破坏,应保证其根部金属在工作时处于应保证其根部金属在工作时处于安定状态安定状态:。返回返
13、回（一）、补强结构（一）、补强结构 常用的局部补强形式有三种：补强圈补强，加强管补常用的局部补强形式有三种：补强圈补强，加强管补强，整锻件补强。见下图强，整锻件补强。见下图:二二.补强设计结构及计算补强设计结构及计算补强圈补强：补强圈补强：缺点缺点:与另外两种补强结构相比与另外两种补强结构相比,补强后应力集中系数偏高补强后应力集中系数偏高;易引起温差应力易引起温差应力;补强搭接焊缝抗疲劳性能差补强搭接焊缝抗疲劳性能差。故其只适用故其只适用于静载于静载,常温低压容器上常温低压容器上,且有如下限制且有如下限制:补强圈钢板的常温抗拉强度补强圈钢板的常温抗拉强度b b504MPa 504MPa。补强圈
14、厚度不应超过壳体名义壁厚的补强圈厚度不应超过壳体名义壁厚的1.51.5倍倍,且不大于且不大于38mm 38mm。优点优点:结构简单结构简单,制造容易制造容易,有一定补强效果有一定补强效果 是在开孔周围一定范围内紧靠接管贴焊一块补强圈。是在开孔周围一定范围内紧靠接管贴焊一块补强圈。补强圈的材料一般与壳体相同。补强圈的材料一般与壳体相同。加强管补强加强管补强:即在开孔处焊一加厚接管。即在开孔处焊一加厚接管。优点优点:补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验。补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验。缺点缺点是焊缝处于最大应力区域内。是焊缝处于最大应力区域内。锻件补强锻件补强:将接管与壳体连同加强部分做
15、成一个整件锻件，然后再与壳将接管与壳体连同加强部分做成一个整件锻件，然后再与壳体和接管焊在一起。体和接管焊在一起。优点优点:补强金属集中于开孔应力最大的部位，应力集中系补强金属集中于开孔应力最大的部位，应力集中系数小数小;且焊缝及其热影响区都可设计得远离最大应力点位置，且焊缝及其热影响区都可设计得远离最大应力点位置，所以抗疲劳性能好。所以抗疲劳性能好。用途用途:用在有严格要求的设备上用在有严格要求的设备上.规定：规定：补强金属在通过开孔中心线的纵截面上的正投补强金属在通过开孔中心线的纵截面上的正投影面积影面积A As s,必须等于或大于壳体由于开孔而在这个纵截面必须等于或大于壳体由于开孔而在这
16、个纵截面上所削弱的正投影面积上所削弱的正投影面积A A。等面积补强所适用的孔径是有限制的等面积补强所适用的孔径是有限制的,可查有关规定。可查有关规定。（二）补强计算（二）补强计算 1.补强圈的补强计算补强圈的补强计算-等面积补强等面积补强 含义：含义：恢复壳壁的平均厚度恢复壳壁的平均厚度。依据：依据：等面积补强原则等面积补强原则。图.补强范围 首先确定补强区的有效范围首先确定补强区的有效范围:有效宽度有效宽度:取取B=2dB=2d和和B=d+2B=d+2n n+2+2ntnt两者中较大值两者中较大值.d 有效高度有效高度:外侧高度外侧高度 h h1 1=接管实际外伸高度接管实际外伸高度 内侧高
17、度内侧高度 h2=接管实际内伸高度 取较小值取较小值（1）补强范围）补强范围(见上图见上图)补强计算步骤为补强计算步骤为：实际开孔直径实际开孔直径:（2）补强金属面积计算 原则原则:补强的金属截面必须等于或大于开孔减去的面积。补强的金属截面必须等于或大于开孔减去的面积。壳体因开孔削弱所要求的补强面积为壳体因开孔削弱所要求的补强面积为A:A:含义含义:开孔削去的金属面积开孔削去的金属面积。a a.承受内压的回转壳体开孔时承受内压的回转壳体开孔时,A=d,A=d0 0 式中式中0 0按（按（10-910-9）或（）或（10-1310-13）公式计算。）公式计算。b.b.平板封头上开孔时平板封头上开
18、孔时:A=0.5d:A=0.5d0 0 式中式中:c.c.承受外压的回转壳体上开孔时承受外压的回转壳体上开孔时:式中式中:f:fr r-强度削弱系数强度削弱系数,当当f fr r11时时,取取f fr r=1,=1,该系数主要考虑管壁金属截面补偿壳该系数主要考虑管壁金属截面补偿壳壁金属截面所引起承压能力上的差别壁金属截面所引起承压能力上的差别。A A1 1-壳体或封头承受内壳体或封头承受内(外外)压所需厚度压所需厚度0 0及壁厚附加量及壁厚附加量C C两者之外的多余金属截面两者之外的多余金属截面:A:A1 1=(B-d)(=(B-d)(e e-0 0)A2-接管承受内(外)压所需厚度t和壁厚附
19、加量Ct(内伸时还包括Ct2)两者之外的多余金属截面。A2=2h1(et-t)+2h2(et-Ct2)fr A3-补强区内的焊缝金属截面积(焊缝截面指角焊缝或组合焊缝中角焊缝的那一部分),按等腰直角三角形计算。有效补强范围内有效补强范围内,能起补强作用的金属面积有能起补强作用的金属面积有:（3 3）判定是否需另加补强截面）判定是否需另加补强截面(贴焊补强贴焊补强圈圈):):若若A A1 1+A+A2 2+A+A3 3A,A,则开孔不需补强则开孔不需补强。若若A A1 1+A+A2 2+A+A3 3A,A,则需另加补强圈则需另加补强圈,其面积其面积:A As s=A-(A=A-(A1 1+A+A
20、2 2+A+A3 3)A As s为补强圈应提供的最小补强截面为补强圈应提供的最小补强截面。若补强圈若补强圈内径为内径为d d1 1,外径为外径为d d2 2,则补强圈所需最小厚度为则补强圈所需最小厚度为:补强圈尺寸可查表补强圈尺寸可查表12-1。例例1:1:某厂有一设备某厂有一设备,内直径内直径D Di i=2400mm,=2400mm,封头为标准椭圆形封封头为标准椭圆形封头头,壁厚壁厚n n=20mm,=20mm,封头中央有一封头中央有一27382738的平齐接管的平齐接管,开孔不开孔不过封头焊缝过封头焊缝,已知设计压力已知设计压力p=2MPa,p=2MPa,设计温度设计温度t=100t=
21、100o oC,C,设备材设备材料为料为16MnR,16MnR,接管为接管为Q235-A,Q235-A,封头壁厚附加量封头壁厚附加量C=4mmC=4mm,管子附加量子附加量C Ct t=2mm,=2mm,试做开孔补强设计试做开孔补强设计,并验算孔边应力并验算孔边应力。解解:一一.补强设计补强设计n强度计算壁厚强度计算壁厚:按表按表11-211-2标准椭圆形封头标准椭圆形封头16MnR16MnR在在100100o oC C时的时的t t=163MPa=163MPaQ235-AQ235-A在在100100o oC C时的时的t t=113MPa=113MPa接管计算壁厚:按等面积法进行补强计算按等
22、面积法进行补强计算 开孔削弱的器壁面积开孔削弱的器壁面积A A 开孔直径开孔直径补强范围:多余截面积:封头壳壁:接管:焊缝金属截面积:取焊角高度最小值6mm,按等腰直角三角形计算:A3=1/2662=36mm2补强圈厚度及其外径补强圈厚度及其外径:参照表参照表12-1,12-1,对对273273的管子选择补强圈外径的管子选择补强圈外径D D0 0=480mm=480mm，内，内径径d=277mmd=277mm，故补强圈厚度为，故补强圈厚度为:取补强圈厚度取补强圈厚度计算时比较有效补强区内的两种厚度，计算时比较有效补强区内的两种厚度，S和和s。（1）开孔处壳体）开孔处壳体需要需要补强的补强的当量
23、厚度当量厚度 SS=0（e 0）=0（nc 0）=2 0 nc式中：式中：e 壳体的有效厚度壳体的有效厚度 0 开孔被挖掉的承受压力所必须的厚度。开孔被挖掉的承受压力所必须的厚度。S 需要另外补加的厚度，由补强管在补需要另外补加的厚度，由补强管在补 强有效区强有效区 内的补强厚度提供。内的补强厚度提供。2.补强管补强（HGJ52790）当补强管的许用应力当补强管的许用应力T壳体材料的许用应力壳体材料的许用应力时，时，S=2 0 nc fr 式中式中 fr=T 0 的计算同前。的计算同前。（2）补强管可以提供补强用的当量厚度）补强管可以提供补强用的当量厚度S 任何一个补强管，当它的尺寸、材质、工
24、作条件（任何一个补强管，当它的尺寸、材质、工作条件（p、t、c2）确定以后，在有效范围内，它能提供的补强面积）确定以后，在有效范围内，它能提供的补强面积AS可以计算，并可把可以计算，并可把AS转化为可以与转化为可以与S比较的比较的 S补强管结构见教材补强管结构见教材P332，不同直径和厚度补强管的有效，不同直径和厚度补强管的有效厚度和许用当量厚度可查表厚度和许用当量厚度可查表12-212-3。补强管厚度明显大于普通接管，多出来的厚度作为补强管厚度明显大于普通接管，多出来的厚度作为补强。但每种尺寸的接管究竟提供多达的补强厚度补强。但每种尺寸的接管究竟提供多达的补强厚度S则须将下列因素考虑进去则须
25、将下列因素考虑进去1）补强区的有效高度）补强区的有效高度h0，按表中所示，按表中所示，S是按是按这些这些h0确定的确定的2）补强管的设计压力补强管的设计压力p，压力越大补强管能提供，压力越大补强管能提供的补强厚度越小，所以确定的补强厚度越小，所以确定S时应给出补强管时应给出补强管的设计压力的设计压力3)补强管材料的许用应力越大，其提供的补强管材料的许用应力越大，其提供的S越大。越大。因为在同样尺寸，同样压力下，补强管承因为在同样尺寸，同样压力下，补强管承压所需要的厚度随许用应力的增大而减小压所需要的厚度随许用应力的增大而减小按以上规定，补强管许用压力取120MPa，设计压力取0.4、1.0、1
26、.6、2.5、4.0和6.4（MPa）六个等级所得S列于列于12-4当实际补强管的设计压力不同于上述情况，许用应力不等于120MPa，则按下式处理：pD=120p/T所以查表12-4时，应先对压力进行修正，再查S（3）补强形式与尺寸的确定借助于表12-4，具体过程见例题12-1（P335）（三）整锻件补强这种结构相当于把补强圈周围金属与开孔周围金属融合在一起，用一个整体锻件来承受并减小开孔附近应力集中的高应力。若采用密集补强形式并加大过渡圆弧半径，则补强效果更好。三三.容器开孔及补强的有关规定容器开孔及补强的有关规定1.1.开孔尺寸的限制开孔尺寸的限制 筒体和封头上开孔的允许最大直径筒体和封头
27、上开孔的允许最大直径2.2.开孔位置的限制开孔位置的限制 （1）在椭圆形或碟形封头上开孔时,开孔的边缘(如果有补强圈则指补强圈外径边缘)距封头周边的最小投影距离不得小于0.1Di(Di是封头的内直径)。（2）开孔应尽量避开焊缝,如果必须在焊缝上开孔时,则对以开孔中心为圆心,以1.5倍开孔直径为半径的圆中所包容的焊缝必须进行100%的探伤。4.允许不另行补强的条件和规定允许不另行补强的条件和规定 允许不另行补强的接管外径与最小壁厚允许不另行补强的接管外径与最小壁厚 (mm)结结束束3、在椭圆形碟形封头上过度部分开孔时，其孔德中心线位于封头上表面。1）设计压力不大于2.5MPa2）两相邻开孔中心距小于两孔直径之和的两倍3）接管公称外径小于或等于89mm4）接管外径和最小壁厚符合下表规定设备凸缘 凸缘又称凸出接口，当接管长度必须很短时，可凸缘又称凸出接口，当接管长度必须很短时，可用凸缘代替接管。用凸缘代替接管。凸缘种类凸缘种类法兰凸缘管螺纹凸缘一一.法兰凸缘法兰凸缘法兰凸缘的结构见图法兰凸缘的结构见图1210。
