1、14.3 常規(guī)設計常規(guī)設計4.3.5 開孔和開孔補強設開孔和開孔補強設計計第第 四四 章章 壓力容器設計壓力容器設計chapter design of pressure vessels2主要內(nèi)容主要內(nèi)容補強結構補強結構開孔補強設計準則開孔補強設計準則允許不另行補強的最大開孔直徑允許不另行補強的最大開孔直徑等面積補強計算等面積補強計算接管方位接管方位4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計3開孔帶來的問題開孔帶來的問題削弱器壁的強度削弱器壁的強度產(chǎn)生高的局部應力產(chǎn)生高的局部應力4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計44.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計一、容器開孔的

2、連接結構一、容器開孔的連接結構平 齊 接 管 （ 連 接 ) 插 入 式 連 接54.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計螺紋式連接對接連接（此種連接結構復雜，一般用在要求較高的場合）6二、補強結構二、補強結構 補強結構補強結構局部補強局部補強整體補強整體補強補強圈補強補強圈補強厚壁接管補強厚壁接管補強整鍛件補強整鍛件補強4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計7（1 1）補強圈補強）補強圈補強結構結構補強圈貼焊在殼體與接管連接處，見下圖補強圈貼焊在殼體與接管連接處，見下圖優(yōu)點優(yōu)點結構簡單，制造方便，使用經(jīng)驗豐富結構簡單，制造方便，使用經(jīng)驗豐富圖圖4-37 （a）補強圈補強）補

3、強圈補強缺點缺點1 1）與殼體金屬之間不能）與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，完全貼合，傳熱效果差，在中溫以上使用時，存在在中溫以上使用時，存在較大熱膨脹差，在補強局較大熱膨脹差，在補強局部區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應力；部區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應力；2 2）與殼體采用搭接連接，）與殼體采用搭接連接，難以與殼體形成整體，抗難以與殼體形成整體，抗疲勞性能差。疲勞性能差。4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計8一般用在靜載、中溫、一般用在靜載、中溫、中低壓、材料的標準中低壓、材料的標準抗拉強度低于抗拉強度低于540mpa，補強圈厚度小于或等補強圈厚度小于或等于于1.5n，殼體名義，殼體名義厚度厚度

4、n38mm的的場合。場合。其結構形式有如圖所其結構形式有如圖所示的示的3種。種。 9補強圈補強補強圈補強4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計104.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計補強圈補強補強圈補強114.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計補強圈補強補強圈補強124.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計補強圈補強圈13中低壓容器應用最多的補強結構，一中低壓容器應用最多的補強結構，一般使用在般使用在靜載靜載、常溫常溫、中低壓中低壓、材料的標準抗拉強度低于材料的標準抗拉強度低于540mpa、補強圈厚度小于或等于補強圈厚度小于或等于1.5n、殼體名義厚度殼

5、體名義厚度n不大于不大于38mm的場合。的場合。應用應用hg21506-2005補強圈補強圈jb/t4736-2005補強圈補強圈標準標準4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計14（2）厚壁接管補強）厚壁接管補強結構結構在開孔處焊上一段厚壁接管，見（在開孔處焊上一段厚壁接管，見（b）圖。）圖。特點特點補強處于最大應力區(qū)域，能更有效地降低補強處于最大應力區(qū)域，能更有效地降低。接管補強結構簡單，焊縫少，焊接質量容易。接管補強結構簡單，焊縫少，焊接質量容易檢驗，補強效果較好。檢驗，補強效果較好。圖圖4-37 （b）厚壁接管補強）厚壁接管補強制壓力制壓力容器由于材料缺口敏感容器由于材料缺口敏

6、感性較高，一般都采用該性較高，一般都采用該結構，但必須保證結構，但必須保證。應用應用4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計15164.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計厚壁接管補強厚壁接管補強174.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計厚壁接管補強厚壁接管補強18圖圖4-37 （c）整鍛件補強）整鍛件補強 （3）整鍛件補強）整鍛件補強 整體鍛件整體鍛件4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計19204.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計整鍛件補強整鍛件補強21補強金屬集中于開孔應力最大部位，能最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

7、系數(shù)；可采用對接焊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，疲勞壽命只降低點，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低101015%15%。重要壓力容器，如核容器、材料屈服點重要壓力容器，如核容器、材料屈服點在在500500mpampa以上的容器開孔及受低溫、高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。溫、疲勞載荷容器的大直徑開孔容器等。結結構構將接管和部分殼體連同補強部分做成整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。體鍛件，再與殼體和接管焊接。優(yōu)優(yōu)點點缺缺點點鍛件供應困難，制造成

8、本較高。鍛件供應困難，制造成本較高。應應用用22二、開孔補強設計準則二、開孔補強設計準則 指采取適當增加殼體或接管厚度的方法將應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。力集中系數(shù)減小到某一允許數(shù)值。開孔補強設計：開孔補強設計：開孔補強設計準則開孔補強設計準則彈性失效設計準則彈性失效設計準則等面積補強法等面積補強法塑性失效準則塑性失效準則極限分析法極限分析法4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計23（1）等面積補強）等面積補強 殼體因開孔被殼體因開孔被削弱的承載面積，須削弱的承載面積，須有補強材料在離孔邊有補強材料在離孔邊一定距離范圍內(nèi)予以一定距離范圍內(nèi)予以

9、等面積補償。等面積補償。以雙向受拉伸的無限以雙向受拉伸的無限大平板上開有小孔時孔邊的大平板上開有小孔時孔邊的應力集中作為理論基礎的，應力集中作為理論基礎的，即僅考慮殼體中存在的拉伸即僅考慮殼體中存在的拉伸薄膜應力，且以補強殼體的薄膜應力，且以補強殼體的一次應力強度作為設計準則。一次應力強度作為設計準則。故對小直徑的開孔安全可靠。故對小直徑的開孔安全可靠。沒有考慮開孔處沒有考慮開孔處應力集中應力集中的的影響，沒有計入影響，沒有計入容器直徑變化容器直徑變化的影的影響，補強后對不同接管會得到不同響，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，的應力集中系數(shù)，即安全裕量不同，因此有時顯得

10、富裕，有時顯得不足因此有時顯得富裕，有時顯得不足。長期實踐經(jīng)驗，簡單易長期實踐經(jīng)驗，簡單易行，當開孔較大時，只要對其行，當開孔較大時，只要對其開孔尺寸和形狀等予以一定的開孔尺寸和形狀等予以一定的配套限制，在一般壓力容器使配套限制，在一般壓力容器使用條件下能夠保證安全，因此用條件下能夠保證安全，因此不少國家的容器設計規(guī)范主要不少國家的容器設計規(guī)范主要采用該方法，如采用該方法，如asme -1和和gb150等。等。4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計24該法要求帶有某種補強結構的接管與殼體發(fā)生塑性失效該法要求帶有某種補強結構的接管與殼體發(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

11、本相同。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）極限分析補強 定義：定義：4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計25三、允許不另行補強的最大開孔直徑三、允許不另行補強的最大開孔直徑 焊接接頭系數(shù)小于焊接接頭系數(shù)小于1但開孔位置不在焊縫上等等但開孔位置不在焊縫上等等強度裕量強度裕量接管和殼體實際厚度大于強度需要的厚度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而也降低了開孔處的最

12、大應力。因此，對于滿足一定條件的開孔接管，可以不予補強。開孔接管，可以不予補強。4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計26gb150規(guī)定：規(guī)定：在設計壓力在設計壓力2.5mpa的殼體上開孔，兩相鄰開孔中心的間距的殼體上開孔，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（對曲面間距以弧長計算）大于兩孔直徑之和的2倍，倍，接管接管公稱外徑公稱外徑89mm時，時，只要只要接管最小厚度滿足表接管最小厚度滿足表4-14要求，就要求，就可不另行補強。可不另行補強。表表4-14 不另行補強的接管最小厚度不另行補強的接管最小厚度 mm6.05.04.03.5897665574845

13、383225接管公接管公稱外徑稱外徑最小最小厚度厚度4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計27gb150對開孔最大直徑的限制：對開孔最大直徑的限制：四、等面積補強計算四、等面積補強計算 主要用于補強圈結構的補強計算。主要用于補強圈結構的補強計算。基本原則：基本原則：使有效補強的金屬面積，等于或大于開孔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。所削弱的金屬面積。（1）允許開孔的范圍）允許開孔的范圍a. 圓筒上開孔的限制：圓筒上開孔的限制：內(nèi)徑內(nèi)徑di1500mm時，開孔最大直徑時，開孔最大直徑d id21，且，且d520mm；內(nèi)徑內(nèi)徑di1500mm時，開孔最大直徑時，開孔

14、最大直徑d id31，且，且d1000mm。 4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計28b. 凸形封頭或球殼上開孔最大直徑凸形封頭或球殼上開孔最大直徑d id21。 c. 錐殼（或錐形封頭）上開孔最大直徑錐殼（或錐形封頭）上開孔最大直徑d id31，di為開孔為開孔中心處的錐殼內(nèi)直徑。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。于封頭表面。4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計29a、內(nèi)壓圓筒或球殼：內(nèi)壓圓筒或球殼： )f1 (2daret（4-76）式中式中 a開孔削弱所需

15、要的補強面積，開孔削弱所需要的補強面積，mm2； d開孔直徑開孔直徑， 圓形孔：圓形孔：d=dit+2c dit接管內(nèi)直徑；接管內(nèi)直徑；橢圓形或長圓形孔：取所考慮平面上的尺寸橢圓形或長圓形孔：取所考慮平面上的尺寸 （弦長，包括厚度附加量），（弦長，包括厚度附加量），mm；（2）所需最小補強面積）所需最小補強面積a4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計30 殼體開孔處的計算厚度，殼體開孔處的計算厚度，mm； et接管有效厚度，接管有效厚度，et =nt-c，mm； fr強度削弱系數(shù)，等于強度削弱系數(shù)，等于設計溫度設計溫度下接管材料與殼體下接管材料與殼體 材料許用應力之比，當該值大于材料

16、許用應力之比，當該值大于1.0時，取時，取fr=1.0。4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計31外壓圓筒或球殼：外壓圓筒或球殼：)f1 (2d5 .0aret（4-77）平蓋開孔直徑平蓋開孔直徑d0.5di：pda5 . 0（4-78）式中式中 p平蓋計算厚度，平蓋計算厚度，mm。開孔造成的削弱是開孔造成的削弱是而不是指而不是指。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，模量的削弱必須在有效補強范圍內(nèi)得到補強，。b、外壓容器或平蓋：外壓容器或平蓋：4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開

17、孔補強設計32圖圖4-38 有效補強范圍示意圖（有效補強范圍示意圖（a）在一定范圍內(nèi)在一定范圍內(nèi)能起補強作用，能起補強作用，除了此范圍，除了此范圍，則起不到補強則起不到補強作用。作用。有效補強區(qū)：有效補強區(qū)：矩形矩形wxyz，見圖見圖4-38。（3）有效補強范圍）有效補強范圍4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計33有效寬度有效寬度b：按式（按式（4-79）計算，取二者中較大值）計算，取二者中較大值b=2db=d+2n+2nt（4-79）式中式中 b補強有效寬度，補強有效寬度，mm； n殼體開孔處的名義厚度，殼體開孔處的名義厚度，mm； nt接管名義厚度，接管名義厚度，mm。4.3.

18、5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計34內(nèi)外側有效高度：內(nèi)外側有效高度：按式（按式（4-80）和式（）和式（4-81）計算，）計算，分別取式中較小值分別取式中較小值（4-80）（4-81）外側高度外側高度 nt1dhh1=接管實際外伸高度接管實際外伸高度nt2dh h2=接管實際內(nèi)伸高度接管實際內(nèi)伸高度 內(nèi)側高度內(nèi)側高度4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計35（4-82） （4-83） 有效補強區(qū)有效補強區(qū)wxyz范圍內(nèi)，可作為有效補強的金屬面范圍內(nèi)，可作為有效補強的金屬面積有以下幾部分：積有以下幾部分：(4)補強范圍內(nèi)補強金屬面積補強范圍內(nèi)補強金屬面積aea1殼體有效厚度減去

19、計算厚度之外的多余面積。殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積。)f1)(2)(db(areete1 r2et2rtet12f )c(h2f )(h2a a2接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積。接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積。a4有效補強區(qū)內(nèi)另外再增加的補強元件的金屬截面積。有效補強區(qū)內(nèi)另外再增加的補強元件的金屬截面積。a3有效補強區(qū)內(nèi)焊縫金屬的截面積。有效補強區(qū)內(nèi)焊縫金屬的截面積。4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計364.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計圖圖4-38 有效補強范圍示意圖（有效補強范圍示意圖（b）37式中式中 ae有效補強范圍內(nèi)另加的補強面

20、積，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）（也可以說是強度裕量） e殼體開孔處的有效厚度，殼體開孔處的有效厚度，mm； t接管計算厚度，接管計算厚度，mm。ae=a1+a2+a3a則開孔后不需要另行補強。則開孔后不需要另行補強。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則開孔需要另外補強，所增加的補強金屬截面積a4 應滿足應滿足 a4 a-ae (4-84)4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計38補強材料一般需與殼體材料相同，若補強材料許用應力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

21、殼體材料與補強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。體材料許用應力，則所需補強面積不得減少。要求：要求：孔周邊會出現(xiàn)較大的局部應力，采用分析孔周邊會出現(xiàn)較大的局部應力，采用分析設計標準中規(guī)定的方法和壓力面積法等方設計標準中規(guī)定的方法和壓力面積法等方法進行分析計算。法進行分析計算。大開孔補強：大開孔補強：gb150-1998鋼制壓力容器鋼制壓力容器第第78頁至第頁至第81頁頁多個開孔補強：多個開孔補強：4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計39開孔所需最小補強面積主要由開孔所需最小補強面積主要由d確定，當在內(nèi)壓橢圓形封頭確定，當在內(nèi)壓橢圓形封頭或內(nèi)壓碟形封頭上開孔時，則應區(qū)分不同的開孔位置取不同或內(nèi)壓碟形封頭上開孔時，則應區(qū)分不同的開孔位置取不同的計算厚度。的計算厚度。五、接管方位五、接管方位4.3.5 開孔和開孔補強設計開孔和開孔補強設計40cticp5 . 0 2dkp在在80%以外開孔：以外開孔