【系列】过程设备设计第四章-435讲解

4.3常规设计4.3.5开孔和开孔补强设计4.压力容器设计CHAPTERⅣDesignofPressureVessel4.3.5开孔和开孔补强设计4.1概述4.2设计准则4.3常规设计4.4分析设计4.5疲劳分析4.6压力容器设计技术进展4.3.3封头设计4.3.4密封装置设计4.3.5开孔和开孔补强设计4.3.6支座和检查孔4.3.7安全泄放装置4.3.2圆筒设计4.3.1概述4.3.8焊接结构设计4.3.9压力试验主要内容补强结构开孔补强设计原则允许不另行补强的最大开孔直径等面积补强计算接管方位4.3.5开孔和开孔补强设计开孔带来的问题削弱器壁的强度产生高的局部应力4.3.5开孔和开孔补强设计一、补强结构补强结构局部补强整体补强补强圈补强厚壁接管补强整锻件补强4.3.5开孔和开孔补强设计（1）补强圈补强结构：补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见（a）图。优点：结构简单，制造方便，使用经验丰富；图4-37（a）缺点：1）与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，存在较大热膨胀差，在补强局部区域产生较大的热应力；2）与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，抗疲劳性能差。4.3.5开孔和开孔补强设计中低压容器应用最多的补强结构，一般使用在静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于540MPa、补强圈厚度小于或等于1.5δn、壳体名义厚度δn不大38mm的场合。应用：HG21506-92《补强圈》，JB/T4736-95《补强圈》标准：4.3.5开孔和开孔补强设计（2）厚壁接管补强结构：在开孔处焊上一段厚壁接管，见（b）图。特点：补强处于最大应力区域，能更有效地降低应力集中系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验，补强效果较好。图4-37（b）高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该结构，但必须保证焊缝全熔透。应用：4.3.5开孔和开孔补强设计图4-37（c）（3）整锻件补强整体锻件4.3.5开孔和开孔补强设计补强金属集中于开孔应力最大部位，能最有效地降低应力集中系数；可采用对接焊缝，并使焊缝及其热影响区离开最大应力点，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降低10～15%。重要压力容器，如核容器、材料屈服点在500MPa以上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大直径开孔容器等。结构：将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接，见（c）图。优点：缺点：锻件供应困难，制造成本较高。应用：4.3.5开孔和开孔补强设计二、开孔补强设计准则指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数减小到某一允许数值。开孔补强设计：开孔补强设计准则弹性失效设计准则——等面积补强法塑性失效准则—极限分析法4.3.5开孔和开孔补强设计（1）等面积补强定义：壳体因开孔被削弱的承载面积，须有补强材料在离孔边一定距离范围内予以等面积补偿。原理：以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则。故对小直径的开孔安全可靠。问题：没有考虑开孔处应力集中的影响，没有计入容器直径变化的影响，补强后对不同接管会得到不同的应力集中系数，即安全裕量不同，因此有时显得富裕，有时显得不足。优点：长期实践经验，简单易行，当开孔较大时，只要对其开孔尺寸和形状等予以一定的配套限制，在一般压力容器使用条件下能够保证安全，因此不少国家的容器设计规范主要采用该方法，如ASMEⅧ-1和GB150等。4.3.5开孔和开孔补强设计带有某种补强结构的接管与壳体发生塑性失效时的极限压力和无接管时的壳体极限压力基本相同。（2）极限分析补强定义：4.3.5开孔和开孔补强设计焊接接头系数小于1但开孔位置不在焊缝上等等三、允许不另行补强的最大开孔直径强度裕量接管和壳体实际厚度大于强度需要的厚度接管根部有填角焊缝上述因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力。因此，对于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强。4.3.5开孔和开孔补强设计GB150规定：在设计压力≤2.5MPa的壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径≤89mm时，只要接管最小厚度满足表4-14要求，就可不另行补强。表4-14不另行补强的接管最小厚度mm6.05.04.03.5897665574845383225接管公称外径最小厚度4.3.5开孔和开孔补强设计四、等面积补强计算主要用于补强圈结构的补强计算。基本原则：使有效补强的金属面积，等于或大于开孔所削弱的金属面积。GB150对开孔最大直径的限制：（1）允许开孔的范围a.圆筒上开孔的限制：内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤iD21，且d≤520mm；内径Di＞1500mm时，开孔最大直径d≤iD31，且d≤1000mm。4.3.5开孔和开孔补强设计b.凸形封头或球壳上开孔最大直径d≤iD21。c.锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径d≤iD31，Di为开孔中心处的锥壳内直径。d.在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面。4.3.5开孔和开孔补强设计a、内压圆筒或球壳：)f1(2dAret（4-76）式中A—开孔削弱所需要的补强面积，mm2；d—开孔直径，●圆形孔：d=dit+2Cdit—接管内直径；●椭圆形或长圆形孔：取所考虑平面上的尺寸（弦长，包括厚度附加量），mm；（2）所需最小补强面积A4.3.5开孔和开孔补强设计δ—壳体开孔处的计算厚度，mm；δet—接管有效厚度，δet=δnt-C，mm；fr—强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比，当该值大于1.0时，取fr=1.0。4.3.5开孔和开孔补强设计外压圆筒或球壳：)]f1(2d[5.0Aret（4-77）平盖开孔直径d≤0.5Di：pdA5.0（4-78）式中δp—平盖计算厚度，mm。开孔造成的削弱是抗弯截面模量而不是指承载截面积。按照等面积补强的基本出发点，由于开孔引起的抗弯截面模量的削弱必须在有效补强范围内得到补强，所需补强的截面积仅为因开孔而引起削弱截面积的一半。b、外压容器或平盖：4.3.5开孔和开孔补强设计在一定范围内能起补强作用，除了此范围，则起不到补强作用。有效补强区：矩形WXYZ，见图4-38。图4-38（3）有效补强范围4.3.5开孔和开孔补强设计有效宽度B：按式（4-79）计算，取二者中较大值B=2dB=d+2δn+2δnt（4-79）式中B—补强有效宽度，mm；δn—壳体开孔处的名义厚度，mm；δnt—接管名义厚度，mm。4.3.5开孔和开孔补强设计内外侧有效高度：按式（4-80）和式（4-81）计算，分别取式中较小值外侧高度（4-80）nt1dhh1=接管实际外伸高度（4-81）nt2dhh2=接管实际内伸高度内侧高度4.3.5开孔和开孔补强设计（4-82）（4-83）有效补强区WXYZ范围内，可作为有效补强的金属面积有以下几部分：(4)补强范围内补强金属面积Ae①A1—壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。)f1)((2))(dB(Areete1r2et2rtet12f)C(h2f)(h2A②A2—接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。④A4—有效补强区内另外再增加的补强元件的金属截面积。③A3—有效补强区内焊缝金属的截面积。4.3.5开孔和开孔补强设计4.3.5开孔和开孔补强设计式中Ae—有效补强范围内另加的补强面积，mm2；（也可以说是强度裕量）δe—壳体开孔处的有效厚度，mm；δt—接管计算厚度，mm。若Ae=A1+A2+A3≥A则开孔后不需要另行补强。若Ae=A1+A2+A3＜A则开孔需要另外补强，所增加的补强金属截面积A4应满足A4≥A-Ae(4-84)4.3.5开孔和开孔补强设计补强材料一般需与壳体材料相同，若补强材料许用应力小于壳体材料许用应力，则补强面积按壳体材料与补强材料许用应力之比而增加。若补强材料许用应力大于壳体材料许用应力，则所需补强面积不得减少。要求：孔周边会出现较大的局部应力，采用分析设计标准中规定的方法和压力面积法等方法进行分析计算。大开孔补强：《GB150-1998钢制压力容器》第78页至第81页多个开孔补强：4.3.5开孔和开孔补强设计开孔所需最小补强面积主要由dδ确定，当在内压椭圆形封头或内压碟形封头上开孔时，则应区分不同的开孔位置取不同的计算厚度。五、接管方位椭圆形封头：开孔位于以椭圆形封头中心为中心80%封头内直径的范围内：中心部位可视为当量半径Ri=K1Di的球壳，cti1cp5.0][2DKp（4-85）式中，K1为椭圆形长短轴比值决定的系数，由表4-5查得。标准椭圆封头：K1＝0.94.3.5开孔和开孔补强设计cticp5.0][2DKp在80%以外开孔：δ按椭圆形封头的厚度计算式（4-45）计算，开孔位于封头球面部分内：取式（4-49）中的碟形封头形状系数M=1，碟形封头：cticp5.0][2Rp（4-86）4.3.5开孔和开孔补强设计此范围之外：δ按碟形封头的厚度计算式（4-49）计算，cticp5.0][2RMp非径向接管：尽可能采用径向接管。原因：圆筒或封头上须开椭圆形孔，应力集中系数增大，抗疲劳失效的能力降低。若椭圆孔的长轴和短轴之比不超过2.5，一般仍采用等面积补强法。非径向接管的开孔补强计算：4.3.5开孔和开孔补强设计