11容器零部件-开孔与补强

化工设备机械基础容器零部件—开孔与补强化工设备机械基础引言容器为什么要开孔？工艺、安装、检修的要求。开孔后，为什么要补强？削弱器壁的强度，出现不连续，高应力集中区。化工设备机械基础峰值应力通常较高，达到甚至超过材料屈服极限。局部应力较大，加之材质和制造缺陷等,为降低峰值应力，需要对结构开孔部位进行补强，以保证容器安全运行。应力集中和开孔形状有关，圆孔的应力集中程度最低。化工设备机械基础1.容器的接口管与凸缘用于装置测量、控制仪表，或连接其他设备和介质的输送管道。1.1接口管„接管+法兰„铸造设备接管：可与筒体一并铸出。„螺纹管：主要用来接温度计、压力表或液面计等，阴螺纹或阳螺纹化工设备机械基础接管结构化工设备机械基础1.2凸缘化工设备机械基础1.2凸缘接管长度必须很短时可用凸缘代替„凸缘本身有加强作用，不需另外补强。„当螺柱折断在螺栓孔中，取出较困难。„凸缘与管道法兰配用，联接尺寸应根据所选用的管法兰来确定化工设备机械基础2.手孔与人孔检查设备内部空间以及安装和拆卸内部构件。手孔（HG21515～21527-95）和人孔（HG21528～21535-95）已有标准，设计时根据设备的公称压力，工作温度以及所用材料等按标准直接选用。化工设备机械基础2.手孔与人孔2.1手孔„手孔直径150mm～250mm，标准手孔公称直径有DN150和DN250两种。„手孔结构：容器上接一短管，其上盖一盲板。化工设备机械基础„设备直径超过900mm，有手孔也设人孔。„人孔的形状有圆形和椭圆形。„椭圆形人孔短轴与筒身轴线平行。„圆形人孔直径400mm～600mm，容器压力不高或有特殊需要时，直径可以大一些。„椭圆形人孔(或称长圆形人孔)的最小尺寸为400mm×300mm。2.2人孔化工设备机械基础„人孔：筒节、法兰、盖板和手柄。„使用中常打开，可用快开式结构人孔。化工设备机械基础3.视镜与液面计3.1视镜观察内部，也可用作物料液面指示镜。„不带颈视镜„带颈视镜化工设备机械基础不带颈视镜凸缘构成，结构简单，不易结料，有比较宽阔的视察范围。化工设备机械基础带颈视镜当视镜需要斜装或设备直径较小时，则需采用。化工设备机械基础化工设备机械基础„视镜已经标准化，„化工生产中常用的还有压力容器视镜、带灯视镜、带灯有冲洗孔的视镜、组合视镜等。化工设备机械基础3.2液面计„公称压力不超过0.7MPa，开长条孔，矩形凸缘或法兰把玻璃固定在设备上。„承压容器，一般都是将液面计通过法兰、活接头或螺纹接头与设备联接在一起„设备直径大，可同时用几组液面计接管现有标准中有反射式玻璃板液面计、反射式防霜液面计、透光式板式液面计和磁性液面计。化工设备机械基础液面计图化工设备机械基础液面计图化工设备机械基础4.开孔补强4.1开孔应力集中及应力集中系数（为什么要补强）4.2补强设计（怎么补强）4.2.1补强元件的类型4.2.2开孔补强的设计准则4.2.3补强的一些规定化工设备机械基础4.1开孔应力集中及应力集中系数„开孔破坏了原有应力分布并引起应力集中„接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力„壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中上述三种因素均使开孔或开孔接管部位的引力比壳体中的薄膜应力大，统称为开孔或接管部位的应力集中。化工设备机械基础常用应力集中系数Kt来描述开孔接管处的力学特性。若未开孔时的名义应力为σ，开孔后按弹性方法计算出的最大应力为σmax，则弹性应力集中系数为maxσσ=tK4.1开孔应力集中及应力集中系数化工设备机械基础平板开孔的最大应力在孔边处孔边沿r=a处：应力集中系数：Kt=32π±=θσ=σ=σ=τπ±=θθγθ3,0max2σmax=3σσθarσθσθσγσσθ1）平板开小孔的应力集中化工设备机械基础孔边处r=a，，应力集中系数:Kt=2σ=σ=σθ2maxaθrσσσσ=pR/2Tσmax=2σσθσγ2)薄壁球壳开小圆孔的应力集中化工设备机械基础02cos23,0,1=τσ⎟⎠⎞⎜⎝⎛θ−=σ=σθθrr3)薄壁圆柱开小圆孔的应力集中孔边处r=a，应力集中系数：(Kt)max=2.5aθrσ=pR/2Tσmax=2σσ2σ1σ1=pR/Tσθσγσσ5.2max=化工设备机械基础4.1开孔应力集中及应力集中系数„最大应力在孔边，其数值高出基本应力的数倍„孔边应力集中有局部性，衰减较快„开孔后的壳体需要补强时，只需在开孔的局部范围内增加接管或壳体壁厚即可化工设备机械基础1）补强圈补强„优点：结构简单，制造方便，使用经验丰富。„缺点：补强区域分散，抗疲劳性能差。„常用场合：中低压容器4.2.1补强元件的类型化工设备机械基础2)接管补强„优点：结构简单，制造与检验都很方便。„缺点：必须保证全焊透。„常用场合：低合金钢容器或某些高压容器4.2.1补强元件的类型化工设备机械基础4.2.1补强元件的类型3）整锻件补强„优点：抗疲劳性最好，疲劳寿命仅降低10～15%。„缺点：锻件供应困难，制造烦琐，成本较高。„常用场合：只用于重要的设备，如高压容器，核容器。化工设备机械基础4.2.1补强元件的类型化工设备机械基础1）等面积补强准则该方法认为在有效的补强范围内，壳体处本身承受内压所需截面积外的多余截面积A不应少于开孔所减少的有效截面积。这种以通过开孔中心的纵截面上的投影面积来衡量的补强设计方法，具有使开孔后截面的平均应力不致升高的含义。在一般情况下可以满足开孔补强的需要，方法简便，我国的容器标准采用的主要是这种方法。4.2.2开孔补强的设计准则化工设备机械基础2）极限分析补强设计准则由于开孔只造成壳体的局部强度削弱，如果在某一压力载荷下容器开孔处的某一区域其整个截面进入塑性状态，以至发生塑性流动，此时的载荷便为极限载荷。利用塑性力学方法对带有整体补强的开孔补强结构求解出塑性失效的极限载荷。以极限载荷为依据来进行补强结构设计，即以大量的计算可以定出补强结构的尺寸要求，使其具有相同的应力集中系数。。4.2.2开孔补强的设计准则化工设备机械基础1）等面积补强计算化工设备机械基础1）等面积补强计算„有效补强范围„开孔削弱面积：„补强金属面积：AAAAA≥+++4321化工设备机械基础有效补强范围化工设备机械基础有效补强范围补强区宽度：中大值⎭⎬⎫++==ntndBdBδδ222中大值接管实际外伸高度⎪⎭⎪⎬⎫==11hdhntδ中大值接管实际内伸高度⎪⎭⎪⎬⎫==12hdhntδ补强区外侧高度:补强区内侧高度：化工设备机械基础开孔削弱面积tttrrntffCdA]/[][)1)((2σσδδδ=−−+=其中：化工设备机械基础补强金属面积‹容器壳体设计厚度之外的多余金属截面积A1)1)()((2))((1rentefCdBA−−−−−−=δδδδδ‹接管所需计算厚度之外的多余金属截面积A2rntrtntfCChfChA)(2)(22212−−−−−=δδδ‹补强区内的焊缝面积A3‹有效补强区内另加的补强元件的截面积A4化工设备机械基础有效补强区内另加的补强元件的截面积A4若则开孔后可不另外补强若需要补强，补强面积为AAAA++321AAAA≥++321)(3214AAAAA++−=化工设备机械基础GB150用补强圈结构补强时，规定：„钢材的标准抗拉强度下限值σb≤540MPa„补强圈厚度小于或等于1.5δn„壳体名义厚度δn≤38mm。补强圈搭焊结构的使用范围化工设备机械基础最大开孔限制„圆筒Di≤1500mm，开孔最大直径d≤Di/2，且d≤520mm；圆筒Di＞1500mm时，开孔最大直径d≤Di/3，且d≤1000mm„凸形封头或球壳的开孔最大直径d＜Di/2„锥壳开孔最大直径d≤Di/3，Di为开孔中心处的锥壳内直径化工设备机械基础不需补强的最大开孔直径化工设备机械基础开孔满足全部条件，可不补强„设计压力小于或等于2.5MPa„两相邻开孔中心的间距(对曲面间距以弧长计算)应不小于两孔直径之和的两倍„接管公称外径小于或等于89mm，接管最小壁厚满足下表要求化工设备机械基础接管公称外径253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0注：①钢材的标准抗拉强度下限值σb＞540MPa时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构型式。②接管的腐蚀裕量为1mm接管最小壁（mm）表