壓力容器殼體的開孔與補強

1、壓力容器的開孔與補強本章重點內(nèi)容及對學(xué)生的要求：（1） 回轉(zhuǎn)殼體上開小孔造成的應(yīng)力集中；（2） 開孔補強的原則、補強結(jié)構(gòu)和補強計算；（3） 不另行補強的要求；（4） GB150-98對容器開孔及補強的有關(guān)規(guī)定。第一節(jié) 容器開孔附近的應(yīng)力集中1、 相關(guān)概念（1）容器開孔應(yīng)力集中（Opening and stress concentration）在壓力容器或設(shè)備上開孔是化工過程操作所決定的，由于工藝或者結(jié)構(gòu)的需要，容器上經(jīng)常需要開孔并安裝接管，例如：人孔、手孔、進料與出料口等等。容器開孔接管后在應(yīng)力分布與強度方面會帶來下列影響：u 開孔破壞了原有的應(yīng)力分布并引起應(yīng)力集中。u 接管處容器殼體與接管形

2、成結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力。u 殼體與接管連接的拐角處因不等截面過渡而引起應(yīng)力集中。上述三種因素均使開孔或開孔接管部位的引力比殼體中的膜應(yīng)力大，統(tǒng)稱為開孔或接管部位的應(yīng)力集中。（2）應(yīng)力集中系數(shù)（stress concentration factor）常用應(yīng)力集中系數(shù)Kt來描述開孔接管處的力學(xué)特性。若未開孔時的名義應(yīng)力為，開孔后按彈性方法計算出的最大應(yīng)力為max，則彈性應(yīng)力集中系數(shù)為： （1）壓力容器設(shè)計中對于開孔問題研究的兩大方向是：² 研究開孔應(yīng)力集中程度，估算Kt值；² 在強度上如何使因開孔受到的削弱得到合理的補強。2、平板開小孔的應(yīng)力集中Fig. 1 Variation in

3、 stress in a plate containing a circular hole and subjected to uniform tension 設(shè)有一個尺寸很大的巨型薄平板，開有一個圓孔，其小圓孔的應(yīng)力集中問題可以利用彈性力學(xué)的方法進行求解。承受單向拉伸應(yīng)力開小圓孔的應(yīng)力集中如圖1所示，只要板寬在孔徑的5倍以上，孔附近的應(yīng)力分量為： （2）平板開孔的最大應(yīng)力在孔邊 處， 孔邊沿處：應(yīng)力集中系數(shù)： 3、薄壁球殼開小圓孔的應(yīng)力集中如圖2所示，球殼受雙向均勻拉伸應(yīng)力作用時，孔邊附近任意點的受力為：Fig. 2 Variation in stress in a sphere shell

4、containing a circular hole 孔邊處r=a， , 應(yīng)力集中系數(shù)4、薄壁圓柱開小圓孔的應(yīng)力集中 如圖3所示，薄壁柱殼兩向薄膜應(yīng)力，如果開有小圓孔，則孔邊附近任意點的受力為： （3）Fig. 3 Variation in stress in a cylindrical shell containing a circular hole 孔邊處。但是在孔邊處最大，孔邊處徑向截面處的應(yīng)力集中系數(shù)Kt2.5。而在另一個截面，即軸向截面的孔邊處的最大應(yīng)力，此處應(yīng)力系數(shù)Kt0.5，比徑向截面的應(yīng)力集中系數(shù)小得多。其他情況，例如開橢圓孔以及排孔等情況詳見國標(biāo)規(guī)定。針對開孔部位的殼體或者封

5、頭壁厚為，直徑為D，開孔的孔徑為d時，在接管根部開孔邊緣處的應(yīng)力集中現(xiàn)象呈現(xiàn)如下的特點：Ø 最大應(yīng)力在孔邊，是應(yīng)力集中最嚴重的地方；Ø 應(yīng)力集中具有局部性，其范圍也是極為有限的；Ø 應(yīng)力集中的情況和開孔的孔徑與直徑的相對尺寸d/D成正比，開孔不宜過大；Ø 應(yīng)力集中和成反比；所以增大開孔四周殼體的壁厚，則可以極大改善應(yīng)力集中的情況，因此在開孔周圍一定的范圍內(nèi)，采用焊接補強圈的方法。Ø 球殼上開孔的應(yīng)力集中系數(shù)稍低于通體上開孔的應(yīng)力集中系數(shù)；因此在可能的情況下，在封頭上開孔，優(yōu)于在殼體上開孔。5、應(yīng)力集中對容器安全的影響Ø 接管和殼體均為

6、具有良好塑性的材料制成，如果容器內(nèi)介質(zhì)壓力平穩(wěn)，對容器的安全使用不會有太大的影響；Ø 如果容器內(nèi)有較大的壓力波動，則應(yīng)力集中區(qū)的金屬在交變的高應(yīng)力作用下會出現(xiàn)反復(fù)的塑性變形，導(dǎo)致材料硬化，并產(chǎn)生疲勞破壞。應(yīng)力集中是產(chǎn)生疲勞破壞的根源。6、開孔并帶有接管時的應(yīng)力集中系數(shù)以上討論的是僅在殼體上開孔，但是在實際中通常是還在開孔處有接管，開孔處因為接管與殼體在內(nèi)壓作用下發(fā)生變形協(xié)調(diào)而導(dǎo)致不連續(xù)應(yīng)力出現(xiàn)。例如球殼與圓管的連接如下圖所示。因此接管對開孔邊緣處的應(yīng)力集中影響也需要考慮。 Fig. 4 Deformation and internal forces in the opening of

7、 sphere shell應(yīng)力集中系數(shù)曲線：為了便于設(shè)計、對不同直徑的和不同厚度的殼，帶有不同直徑與接管，按理論計算得到的應(yīng)力集中系數(shù)繪制成一組組曲線。應(yīng)力集中系數(shù)曲線圖繪制根據(jù)：殼體的直徑，殼體厚度；接管的直徑，接管厚度；接管形式的平齊接管，插入接管,的不同而繪制。第二節(jié) 容器的開孔補強開孔部分的應(yīng)力集中將引起殼體局部的強度削弱，若開孔很小并有接管，且接管又能使強度的削弱得以補償，則不需另行補強。若開孔較大，就要采取適當(dāng)?shù)难a強措施。 一般容器只要通過補強將應(yīng)力集中系數(shù)降低到一定的范圍即可。按“疲勞設(shè)計”的容器必須嚴格限制開孔接管部位的最大應(yīng)力。經(jīng)過補強后的接管區(qū)可以使應(yīng)力集中系數(shù)降低，但不能

8、消除應(yīng)力集中。1、開孔補強的基本原則當(dāng)在容器開孔后，由于各種強度富余量的存在，開孔并非都要補強。而在孔周圍不需要進行補強的規(guī)定，稱為開孔補強設(shè)計的基本原則。 （1）允許不補強開孔的原因 應(yīng)力集中的局部性原因，根據(jù)應(yīng)力集中的局部性特征，開孔附近的峰值應(yīng)力，不會產(chǎn)生殼體的整體屈服； 當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)小于時，開孔附近除疲勞斷裂外，不產(chǎn)生一般的強度破壞； 容器有效壁厚，是在計算壁厚值加上壁厚附加量，按商品鋼板系列的圓整值。一般大于強度值的要求，從整體上得到了加強。 在壁厚計算公式中，焊縫系數(shù)一般小于1， 在規(guī)定中，明確指出，開孔不允許在焊縫影響區(qū)內(nèi)，則認為開孔區(qū)的強度承載能力高于焊縫區(qū)。（2）允許不另行

9、補強的最大開孔直徑 a.不另行補強的最大孔徑為 b.當(dāng)兩孔中心之間的間距大與兩孔直徑之和的兩倍時，則每一孔均可視為單個開孔。2、開孔補強形式（1）內(nèi)加強平齊接管： 將補強金屬加在接管或殼體的內(nèi)側(cè)。 （2）外加強平齊接管：將補強金屬加在接管和殼體的外側(cè)（3）凸出接管對稱加強：采用突出接管，接管的內(nèi)伸端與外伸端同時加強形式（4）密集補強形式：補強金屬集中在接管與殼體的連接處以上四類補強形式，從補強的效果，即補強所附加金屬起到的實際作用，實踐證明了密集補強效果最好。對稱凸出接管列第二，外加強最差。3、補強結(jié)構(gòu)（1）貼板補強結(jié)構(gòu) 貼板補強結(jié)構(gòu)是在開孔周圍貼焊一個補強圈，補強圈的材料和厚度一般與殼體相同

10、。（a）需要保證補強圈與殼體全面貼合； (b)需要保證焊縫的全焊透結(jié)構(gòu)； (c) 在補強圈上開有M10的通孔，以充氣檢驗其焊透性；（d）常用場合：中低壓容器。（2）接管補強結(jié)構(gòu)：即在開孔處焊接一段加厚的接管，加厚接管處于最大應(yīng)力區(qū)，故能有效的降低應(yīng)力集中系數(shù)。（a）優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，焊縫小，容易對焊縫質(zhì)量進行檢驗 (b)缺點：焊縫處在最大應(yīng)力區(qū)內(nèi)； (c)當(dāng)用于重要設(shè)備時，應(yīng)保證焊縫的全焊透性。焊縫磨平，進行無損探傷。 （d）常用場合：低合金鋼容器或某些高壓容器。（3）整鍛件補強結(jié)構(gòu)： 將接管于殼體連同加強部分做成一整體鍛件。（a）優(yōu)點：補強金屬集中于開孔應(yīng)力最大部位，應(yīng)力集中系數(shù)最小。焊縫及熱

11、影響區(qū)離開最大應(yīng)力點位置，抗疲勞性能優(yōu)越。 (b)缺點：鍛件供應(yīng)困難，制造煩瑣，成本較高。（c）常用場合：只用于重要的設(shè)備，如高壓容器，核容器等。4、開孔補強的設(shè)計準(zhǔn)則（1）等面積補強準(zhǔn)則 該方法認為在有效的補強范圍內(nèi)，殼體處本身承受內(nèi)壓所需截面積外的多余截面積A不少于開孔所減少的有效截面積A0。等面積補強法是世界各國延用已久的一種經(jīng)驗設(shè)計方法。u 開孔削弱的截面積，指沿殼體縱向截面上的開孔投影面積。 式中：d為開孔直徑或接管內(nèi)徑加上壁后附加量C后的直徑。 T為殼體按內(nèi)壓或外壓計算所需的計算厚度。 Fr為材料強度削弱系數(shù)，即設(shè)計溫度下接管材料 與殼體材料許用應(yīng)力之比，fr<1.0u 有效

12、補強范圍： 等面積補強法認為在右圖中的WXYZ的矩形范圍內(nèi)補強是有效的。u 補強區(qū)內(nèi)補強金屬面積A (a)容器殼體設(shè)計厚度之外的多余金屬截面積：A1筒體或封頭，承受內(nèi)壓或外壓所需的厚度和壁厚附加量之外剩余的金屬面積。A1（B-d）(S-C)-So，C 壁厚附加量 式中Tn，tn分別為殼體及接管的名義厚度 T為容器殼體的計算厚度 C為接管的壁厚附加量 fr為材料的強度削弱系數(shù) （b）接管所需計算厚度之外的多余金屬截面積：A2 接管承受內(nèi)壓或外壓所需厚度和壁厚附加量兩者之外多余的金屬面積。A22h1(St-Sto-C)+2h2(St-C1-C2) 式中：t為接管按內(nèi)壓或外壓計算所需的計算厚度；C2

13、為接管的腐蝕附加量。 （c）在有效補強區(qū)內(nèi)焊縫金屬的截面積。 （d）在有效補強區(qū)內(nèi)另加的補強元件的截面積。若A1+A2+A3A，開孔不需要補強 A1+A2+A3 <A，開孔需要補強則A4A-(A1+A2+A3) A4 補強金屬截面積。（2）極限分析補強設(shè)計準(zhǔn)則 由于開孔只造成殼體的局部強度削弱，如果在某一壓力載荷下容器開孔處的某一區(qū)域其整個截面進入塑性狀態(tài)，以至發(fā)生塑性流動，此時的載荷便為極限載荷。利用塑性力學(xué)方法對帶有整體補強的開孔補強結(jié)構(gòu)求解出塑性失效的極限載荷。以極限載荷為依據(jù)來進行補強結(jié)構(gòu)設(shè)計，即以大量的計算可以定出補強結(jié)構(gòu)的尺寸要求，使其具有相同的應(yīng)力集中系數(shù)。（3）開孔補強的其他問題以上是殼體上單個開孔的等面積補強方法，工程上有時還會碰到并聯(lián)開孔的情況，如果各相鄰孔之間的空心距離小于兩孔平均直