4.3常規(guī)設(shè)計4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計4.壓力容器設(shè)計CHAPTERⅣDesignofPressureVessel1編輯ppt壓力容器開孔2編輯ppt壓力容器開孔3編輯ppt開孔帶來的問題削弱器壁的強度產(chǎn)生高的局部應(yīng)力4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計mmnn壓力容器的輕型化開展使其顯得越加嚴重！4編輯ppt開孔接管根部應(yīng)力集中的特點應(yīng)力集中的范圍是很有限的d/D越大，應(yīng)力集中越嚴重δ/D越小，應(yīng)力集中越嚴重增大接管壁厚，可減小應(yīng)力集中球殼上開孔的應(yīng)力集中小于柱殼上開孔的應(yīng)力集中5編輯ppt應(yīng)力集中對容器平安使用的影響

應(yīng)力集中局部塑性變形疲勞裂紋破裂交變載荷6編輯ppt一、補強結(jié)構(gòu)補強結(jié)構(gòu)局部補強整體補強補強圈補強厚壁接管補強整鍛件補強4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計7編輯ppt〔1〕補強圈補強結(jié)構(gòu)：補強圈貼焊在殼體與接管連接處，見〔a〕圖。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，使用經(jīng)驗豐富；圖4-37〔a〕缺點：1〕與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，在中溫以上使用時，存在較大熱膨脹差，在補強局部區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；2〕與殼體采用搭接連接，難以與殼體形成整體，抗疲勞性能差。4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計8編輯ppt一般使用在：靜載、常溫、中低壓、材料的標準抗拉強度低于540MPa、補強圈厚度小于或等于1.5δn、殼體名義厚度δn不大38mm的場合。應(yīng)用：HG21506-92?補強圈?，JB/T4736-95?補強圈?標準：4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計9編輯ppt〔2〕厚壁接管補強結(jié)構(gòu)：在開孔處焊上一段厚壁接管，見〔b〕圖。特點：補強處于最大應(yīng)力區(qū)域，能更有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)。接管補強結(jié)構(gòu)簡單，焊縫少，焊接質(zhì)量容易檢驗，補強效果較好。圖4-37〔b〕高強度低合金鋼制壓力容器由于材料缺口敏感性較高，一般都采用該結(jié)構(gòu)，但必須保證焊縫全熔透。應(yīng)用：4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計10編輯ppt圖4-37（c）（3）整鍛件補強整體鍛件4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計11編輯ppt補強金屬集中于開孔應(yīng)力最大部位，能最有效地降低應(yīng)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(yīng)力點，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低10～15%。重要壓力容器，如核容器、材料屈服點在500MPa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。結(jié)構(gòu)：將接管和局部殼體連同補強局部做成整體鍛件，再與殼體和接管焊接，見〔c〕圖。優(yōu)點：缺點：鍛件供給困難，制造本錢較高。應(yīng)用：4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計12編輯ppt二、開孔補強設(shè)計準那么指采取適當增加殼體或接管厚度的方法將應(yīng)力集中系數(shù)減小到某一允許數(shù)值。開孔補強設(shè)計：開孔補強設(shè)計準那么彈性失效設(shè)計準則——等面積補強法塑性失效準則—極限分析法4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計13編輯ppt〔1〕等面積補強定義：殼體因開孔被削弱的承載面積，須有補強材料在離孔邊一定距離范圍內(nèi)予以等面積補償。原理：以雙向受拉伸的無限大平板上開有小孔時孔邊的應(yīng)力集中作為理論根底的，即僅考慮殼體中存在的拉伸薄膜應(yīng)力，且以補強殼體的一次應(yīng)力強度作為設(shè)計準那么。故對小直徑的開孔平安可靠。問題：沒有考慮開孔處應(yīng)力集中的影響，沒有計入容器直徑變化的影響，補強后對不同接管會得到不同的應(yīng)力集中系數(shù)，即平安裕量不同，因此有時顯得富裕，有時顯得缺乏。優(yōu)點：長期實踐經(jīng)驗，簡單易行，當開孔較大時，只要對其開孔尺寸和形狀等予以一定的配套限制，在一般壓力容器使用條件下能夠保證平安，因此不少國家的容器設(shè)計標準主要采用該方法，如ASMEⅧ-1和GB150等。4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計14編輯ppt帶有某種補強結(jié)構(gòu)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本相同。（2）極限分析補強定義：4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計15編輯ppt焊接接頭系數(shù)小于1但開孔位置不在焊縫上等等三、允許不另行補強的最大開孔直徑強度裕量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上述因素相當于對殼體進行了局部加強，降低了薄膜應(yīng)力從而也降低了開孔處的最大應(yīng)力。因此，對于滿足一定條件的開孔接管，可以不予補強。4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計16編輯ppt四、等面積補強計算GB150對開孔范圍的要求：主要用于補強圈結(jié)構(gòu)的補強計算開孔部位允許開孔孔徑筒體Di≤1500mm：d≤Di/2，且不大于520mm；Di>1500mm：d≤Di/3，且不大于1000mm凸形封頭d≤Di/2平板形封頭d≤Di/2錐形封頭d≤Di/3注：此處的Di是指開孔中心處錐體內(nèi)直徑〔1〕對開孔直徑的限制17編輯ppt〔2〕在橢圓封頭或碟形封頭過渡局部開孔時，其孔的中心線宜垂直于封頭外表〔3〕盡量不在焊縫上開孔，如果避不開必須在焊縫上開孔時，那么在開孔中心為圓心，以1.5倍開孔直徑為半徑的圓中所包容的焊縫，必須進行100%的探傷。3d100%探傷18編輯ppt在一定范圍內(nèi)能起補強作用，除了此范圍，則起不到補強作用。有效補強區(qū)：矩形WXYZ，見圖4-38。圖4-38（3）有效補強范圍4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計19編輯ppt有效寬度B：按式（4-79）計算，取二者中較大值B=2dB=d+2δn+2δnt（4-79）式中B—補強有效寬度，mm；δn—殼體開孔處的名義厚度，mm；δnt—接管名義厚度，mm。4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計20編輯ppt內(nèi)外側(cè)有效高度：按式〔4-80〕和式〔4-81〕計算，分別取式中較小值外側(cè)高度

（4-80）h1=接管實際外伸高度（4-81）

h2=接管實際內(nèi)伸高度內(nèi)側(cè)高度4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計21編輯ppt〔4-82〕〔4-83〕

有效補強區(qū)WXYZ范圍內(nèi)，可作為有效補強的金屬面積有以下幾部分：(4)補強范圍內(nèi)補強金屬面積Ae①A1—殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積。

②A2—接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積。④A4—有效補強區(qū)內(nèi)另外再增加的補強元件的金屬截面積。③A3—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(shè)計22編輯ppt4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計23編輯ppt

式中Ae—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）

δe—殼體開孔處的有效厚度，mm；δt—接管計算厚度，mm。若Ae=A1+A2+A3≥A則開孔后不需要另行補強。若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A4應(yīng)滿足

A4≥A-Ae

(4-84)4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計24編輯ppt

補強材料一般需與殼體材料相同，假設(shè)補強材料許用應(yīng)力小于殼體材料許用應(yīng)力，那么補強面積按殼體材料與補強材料許用應(yīng)力之比而增加。假設(shè)補強材料許用應(yīng)力大于殼體材料許用應(yīng)力，那么所需補強面積不得減少。要求：孔周邊會出現(xiàn)較大的局部應(yīng)力，采用分析設(shè)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。大開孔補強：

《GB150-1998鋼制壓力容器》第78頁至第81頁多個開孔補強：4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計25編輯ppt開孔所需最小補強面積主要由dδ確定，當在內(nèi)壓橢圓形封頭或內(nèi)壓碟形封頭上開孔時，那么應(yīng)區(qū)分不同的開孔位置取不同的計算厚度。五、接管方位

橢圓形封頭：開孔位于以橢圓形封頭中心為中心80%封頭內(nèi)直徑的范圍內(nèi)：中心部位可視為當量半徑Ri=K1Di的球殼，（4-85）式中，K1為橢圓形長短軸比值決定的系數(shù)，由表4-5查得。標準橢圓封頭：K1＝0.94.3.5開孔和開孔補強設(shè)計26編輯ppt

在80%以外開孔：δ按橢圓形封頭的厚度計算式〔4-45〕計算，開孔位于封頭球面部分內(nèi)：取式（4-49）中的碟形封頭形狀系數(shù)M=1，碟形封頭：（4-86）4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計27編輯ppt寰宇瀏覽器

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