壓力容器開(kāi)孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

1、1,,壓力容器開(kāi)孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì),2007年7月,武漢工程大學(xué)化工設(shè)備設(shè)計(jì)研究所,2,壓力容器開(kāi)孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì),,,,1、容器開(kāi)孔接管后在應(yīng)力分布與強(qiáng)度方面將的影響,開(kāi)孔后使承載截面減小，承載材料的削弱。破環(huán)了原有的應(yīng)力分布，造成孔邊緣局部的應(yīng)力集中。接管處容器殼體與接管形成不連續(xù)結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生邊緣應(yīng)力,2、應(yīng)力集中系數(shù),若未開(kāi)孔時(shí)的名義應(yīng)力為 ,開(kāi)孔后按彈性方法計(jì)算出的最大應(yīng)力若為 ，則彈性應(yīng)力集中系數(shù)的定義為,,3,平板開(kāi)小圓孔

2、的應(yīng)力集中,,,,1、單向拉伸應(yīng)力作用,,,,,,孔邊應(yīng)力集中及局部性的特點(diǎn),4,平板開(kāi)小圓孔的應(yīng)力集中,,,,2、兩向拉伸應(yīng)力作用,,,,,,,,,,,，,,,,,結(jié)論：圓筒開(kāi)孔應(yīng)力集中系數(shù)比球殼開(kāi)孔應(yīng)力集中系數(shù)大,5,,,平板開(kāi)橢圓孔的應(yīng)力集中,1、單向拉伸應(yīng)力作用,,,,,,,,,,,,,6,,,平板開(kāi)橢圓孔的應(yīng)力集中,2、雙向拉伸應(yīng)力作用,,,,,,,,,,,,當(dāng),相當(dāng)于在球殼上開(kāi)橢圓孔,,,,,,相當(dāng)于在圓柱殼上開(kāi)橢圓孔,,,

3、,,橢圓孔的長(zhǎng)軸與拉伸應(yīng)力的 方向一致,的方向一致,7,,,平板開(kāi)橢圓孔的應(yīng)力集中,2、雙向拉伸應(yīng)力作用,,,,,,,,,,,,當(dāng),相當(dāng)于在球殼上開(kāi)橢圓孔,,,,,,相當(dāng)于在圓柱殼上開(kāi)橢圓孔,,,,,橢圓孔的長(zhǎng)軸與拉伸應(yīng)力的 方向垂直,,,,,,,,,,,8,平板開(kāi)橢圓孔的應(yīng)力集中,,,,1、幾點(diǎn)結(jié)論,在球殼上開(kāi)圓孔的應(yīng)力集中系數(shù)（ ）小于開(kāi)橢圓孔的應(yīng)力集中系數(shù)（ ）,在圓柱殼

4、上開(kāi)圓孔時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)（ ）,,,,,若要開(kāi)設(shè)橢圓孔，則應(yīng)使橢圓孔的長(zhǎng)軸與殼體軸線垂直此時(shí)（ ）,,9,內(nèi)壓殼體開(kāi)孔的應(yīng)力集中,,,,由于開(kāi)孔后多焊有不同厚度的接管，應(yīng)力集中系數(shù)比較復(fù)雜，采用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)定相結(jié)合的辦法。當(dāng) 越大，即開(kāi)孔直徑越大時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)越高。相反，減小孔徑，增大殼壁厚度均可降低應(yīng)力集中系數(shù)。內(nèi)伸式接管的應(yīng)力集中系數(shù)較低，尤其是內(nèi)伸接管壁厚較厚時(shí)能有效地降

5、低應(yīng)力集中。,,,,,,,10,內(nèi)壓殼體開(kāi)孔的應(yīng)力集中,,,,球殼帶平齊式接管的應(yīng)力集中系數(shù),,,,,,,,,過(guò)小或過(guò)大時(shí)上述曲線均會(huì)有較大的誤差,殼壁過(guò)厚，即 過(guò)小時(shí)，應(yīng)力沿壁厚分布的不均勻性增大，應(yīng)力集中系數(shù)將明顯比圖示值減小,11,內(nèi)壓殼體開(kāi)孔的應(yīng)力集中,,,,球殼帶內(nèi)伸式接管的應(yīng)力集中系數(shù),,,,,,,12,開(kāi)孔分析的幾點(diǎn)結(jié)論,,,,1、開(kāi)孔的應(yīng)力集中區(qū)域?qū)儆诰植繎?yīng)力，衰減 很快，作用范圍在 量級(jí)。,,,,,,2、

6、孔邊應(yīng)力最高，故在孔邊補(bǔ)強(qiáng)最有效。,3、球殼上開(kāi)孔的應(yīng)力集中小于柱殼上的應(yīng)力 集中。球殼Kt=2 圓柱殼Kt=2.5,4、在雙向應(yīng)力作用下,圓柱殼開(kāi)孔邊緣經(jīng)向截面的應(yīng)力集中比周向截面的應(yīng)力集中大得多.,13,壓力容器開(kāi)孔的強(qiáng)度問(wèn)題,,,,1、容器開(kāi)孔對(duì)局部薄膜應(yīng)力的影響,在壓力作用下,殼體內(nèi)存在著薄膜應(yīng)力.殼體開(kāi)孔后使承載截面減小，使該截面的平均應(yīng)力增加,而且在開(kāi)孔邊緣的應(yīng)力分布極為不均勻,隨著距離增加,應(yīng)力增加逐漸減少.在孔邊緣產(chǎn)

7、生的薄膜應(yīng)力稱為局部薄膜應(yīng)力.,2、局部彎曲應(yīng)力,接管和殼體在應(yīng)力作用下變形不一致,由于變形協(xié)調(diào),在相貫處產(chǎn)生一對(duì)剪力和彎矩,從而在殼體開(kāi)孔邊緣和接管端部的局部彎曲應(yīng)力.,,14,容器開(kāi)檢查孔的有關(guān)規(guī)定,,,,為檢查壓力容器在使用過(guò)程中是否產(chǎn)生裂紋、變形、腐蝕等缺陷，壓力容器應(yīng)開(kāi)設(shè)檢查孔。檢查孔包括人孔和手孔.手孔應(yīng)開(kāi)設(shè)在封頭上或封頭附近的筒體上,,15,不需要補(bǔ)強(qiáng)的最大孔徑,,,,1、GBl50《鋼制壓力容器》對(duì)不需另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開(kāi)

8、孔直徑的最新規(guī)定，當(dāng)殼體開(kāi)孔滿足下述全部要求時(shí)可允許不需另行補(bǔ)強(qiáng)。,（１）設(shè)計(jì)壓力小于或等于2.5MPa；（2）兩相鄰開(kāi)孔中心的距離(對(duì)曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算)應(yīng)不小于兩孔直徑之和的兩倍；（3）接管公稱外徑小于或等于89mm；（4）接管最小壁厚滿足下表3-9的要求。,,16,適用的開(kāi)孔范圍,,,,殼體上開(kāi)孔直徑越大，則開(kāi)孔系數(shù)ρ越大，應(yīng)力集中系數(shù)也越大。因此，我國(guó)GB150《鋼制壓力容器》中對(duì)開(kāi)孔直徑的最大值加以限制。,（1）圓

9、筒開(kāi)孔的限制，當(dāng)內(nèi)徑Di ≤1500mm時(shí)，開(kāi)孔最大直徑d≤1/2Di ，且d≤520mm； 當(dāng)內(nèi)徑 >1500mm時(shí)，開(kāi)孔最大直徑d≤ 1/3Di ，且d≤1000mm。（2）凸形封頭或球殼的開(kāi)孔最大直徑 d≤ 1/2Di 。（3）錐殼（或錐形封頭）的開(kāi)孔最大直徑d≤ 1/3Di ， Di為開(kāi)孔中心處的錐殼內(nèi)直徑。（4）在橢圓形或碟形封頭過(guò)渡部分開(kāi)孔時(shí)，其孔的中心線宜垂直于封頭表面,,17,適用的開(kāi)孔范圍,,,,

10、殼體上開(kāi)橢圓孔長(zhǎng)短半軸之比小于2。理由： 等面積補(bǔ)強(qiáng)未計(jì)及開(kāi)孔邊緣的應(yīng)力集中問(wèn)題，僅就開(kāi)孔截面的邊緣應(yīng)力進(jìn)行考慮，對(duì)開(kāi)孔區(qū)局部高應(yīng)力的安定問(wèn)題未加以考慮。,,,18,開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,,,,等面積補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則,認(rèn)為在有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，殼體除本身承受內(nèi)壓所需截面積外的多余截面積不應(yīng)少于開(kāi)孔所減少的有效截面積,,極限分析補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,由于開(kāi)孔只造成殼體的局部強(qiáng)度削弱，如果在某一壓力載荷下容器開(kāi)孔處的某一區(qū)域其整個(gè)截面進(jìn)入塑性狀態(tài)，

11、以至發(fā)生塑性流動(dòng)，此時(shí)的載荷便為極限載荷。以極限載荷為依據(jù)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即以大量的計(jì)算可以定出補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的尺寸要求，使其具有相同的應(yīng)力集中系數(shù)，這就是極限分析補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,19,開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,,,,,安定性補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,它不涉及塑性分析方法而僅用彈性分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性應(yīng)力分析，但允許接管部位的應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，從而局部材料會(huì)進(jìn)入塑性狀態(tài)，但控制該最大彈性虛擬應(yīng)力不得超過(guò)一定限度仍可保證安全。用 (英國(guó)

12、用 )來(lái)限制開(kāi)孔部位最大應(yīng)力值(按彈性分析得出的)的準(zhǔn)則稱為安定性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,,20,開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則-等面積補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則,,,,在有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，殼體除本身承受內(nèi)壓所需截面積外的多余截面積不應(yīng)少于開(kāi)孔所減少的有效截面積。,優(yōu)點(diǎn)：在一般情況下可以滿足開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的需要，方法簡(jiǎn)便，且在工程上有很長(zhǎng)的使用歷史和經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)的容器標(biāo)準(zhǔn)主要采用了這一方法。,,缺點(diǎn)：等面積法忽視了開(kāi)孔處應(yīng)力集中與開(kāi)孔系數(shù)的影響，例如相同大小的孔，當(dāng)殼體直徑很大時(shí)

13、 較小，造成的強(qiáng)度削弱就少，反之殼體直徑很小時(shí) 很大，造成的削弱也大。因此等面積法有時(shí)顯得富裕，有時(shí)顯得不足。,21,開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu),,,,1、局部補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu),指另外在殼體開(kāi)孔處的一定范圍內(nèi)增加補(bǔ)強(qiáng)元件或增大殼體壁厚、接管壁厚。 如果將連接處的接管或殼體壁厚適當(dāng)加厚，上述局部地區(qū)的應(yīng)力集中在很大程度上得到緩和，應(yīng)力集中系數(shù)可以控制在所允許的范圍內(nèi)。,2、整體補(bǔ)強(qiáng),用增加整個(gè)殼體壁厚的辦法來(lái)降低開(kāi)孔附近的應(yīng)力；由于開(kāi)孔應(yīng)力集中的明顯局部性，在

14、不大的范圍以外便恢復(fù)到正常的應(yīng)力值，故除了制造或結(jié)構(gòu)上的需要以外，一般并不需要把整個(gè)容器壁加厚。,,22,壓力容器開(kāi)孔局部補(bǔ)強(qiáng),,,,1、補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng),補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，有一定補(bǔ)償效果，故使用廣泛。但補(bǔ)強(qiáng)圈與殼壁之間存在著一層靜止空氣隙，傳熱效果較差，兩者溫差應(yīng)力較大，在補(bǔ)強(qiáng)的局部地區(qū)容易產(chǎn)生附加溫差應(yīng)力,2、接管補(bǔ)強(qiáng),在開(kāi)孔處焊上一段加厚的短管。接管的加厚部分，正處于最大應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，故能有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)。,,23,壓力

15、容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的原理,,,,將接管和殼體連接處及加強(qiáng)部分做成一個(gè)整體鍛件，然后再與接管和殼體焊在一起。其優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)強(qiáng)金屬集中于開(kāi)孔應(yīng)力最大的部位，應(yīng)力集中系數(shù)最小。并且采用對(duì)接焊接接頭，使焊縫及其熱影響區(qū)離開(kāi)最大應(yīng)力點(diǎn)的位置，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低10％～15％左右。,,3、整鍛件補(bǔ)強(qiáng),24,補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算,,,,補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的相關(guān)規(guī)定,,,補(bǔ)強(qiáng)圈厚度、標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度殼體厚度,補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的存在的一些問(wèn)題,搭接焊接 存在氣隙、傳

16、熱效果差，容易引起溫差應(yīng)力 剛性變形大，角焊逢冷卻收縮起較大作用，容易在焊逢處產(chǎn)生裂 紋，尤其對(duì)高強(qiáng)鋼淬硬性大，對(duì)焊接裂紋比較敏感。 抗疲勞能力差,25,補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算,,,,圓筒或球殼開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積,,,由于應(yīng)力集中的局部性，等面積補(bǔ)強(qiáng)法認(rèn)為在圖3-17所示的WXYZ的矩形范圍內(nèi)實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)是有效的，超過(guò)此范圍實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)是沒(méi)有作用的,有效寬度B,有效高度H,,,,外側(cè)高度,內(nèi)側(cè)高度,26,補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

17、,,,,圓筒或球殼開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積,,,在有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)范圍內(nèi)，可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積,,,—?dú)んw有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積,,—接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積,,,,—焊縫金屬的截面積，mm2?？筛鶕?jù)角焊縫的具體尺寸計(jì)算確定,,開(kāi)孔后不需要另加補(bǔ)強(qiáng) 開(kāi)孔后需要另加補(bǔ)強(qiáng),,27,補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算,,,,其另加補(bǔ)強(qiáng)面積,,,,,,,,,,開(kāi)孔后不需要另加補(bǔ)強(qiáng),,開(kāi)孔后需要另加補(bǔ)強(qiáng),,28,補(bǔ)強(qiáng)圈選擇注意,,,,3、避免采

18、用高強(qiáng)鋼。,,,,,,,,,,1、接管與殼體應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)。避免尖角 過(guò)渡。,,2、焊縫應(yīng)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),,4、不宜用于介質(zhì)對(duì)應(yīng)力的敏感場(chǎng)合 避免用于脈動(dòng)載荷、蠕變場(chǎng)合,29,設(shè)計(jì)舉例,,,,,,,,,內(nèi)徑Di＝1800mm的圓柱形容器，采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，在封頭中心設(shè)置Φ159×4.5的內(nèi)平齊接。封頭名義厚度 ＝18mm，設(shè)計(jì)壓力p＝2.5MPa，設(shè)計(jì)溫度t＝150℃，接管外伸高度h1=200mm。封頭和補(bǔ)強(qiáng)

19、圈材料為16MnR，其許用應(yīng)力 =163MPa,接管材料為10號(hào)鋼，其許用應(yīng)力 =108MPa。封頭和接管的厚度附加量均取2mm，液體靜壓力可以忽略。試作開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。,,,30,,,,,,,,,,,開(kāi)孔條件,,不另行補(bǔ)強(qiáng)條件,,否,等面積補(bǔ)強(qiáng)法,,是,1、計(jì)算開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)需要的面積A2、確定有效補(bǔ)強(qiáng)面積3、計(jì)算A1、A2、A3,,A1+A2+A3>A,,否,按A-（A1+A2+A3）確定補(bǔ)強(qiáng)面積,31,,,,,,,,,

20、,(1)補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法判別,①補(bǔ)強(qiáng)判別 根據(jù)表3-9，允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑為Φ89mm。此開(kāi)孔外徑等于159mm，故需考慮其補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。 ②補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法判別 開(kāi)孔直徑,本凸形封頭開(kāi)孔直徑,,，滿足等面積法開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用條件，故可用等面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。,(2) 開(kāi)孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)截面積,,32,,,,,,,,,,,(2) 開(kāi)孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)截面積,,①封頭計(jì)算厚度 由于在橢圓形封頭中心區(qū)域開(kāi)

21、孔，所以封頭的計(jì)算厚度按式(3-62)確定。因?yàn)橐后w靜壓力可以忽略，即,；查表4-1可得，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭,；又因開(kāi)孔處焊接接頭系數(shù),故封頭計(jì)算厚度,②開(kāi)孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)截面積,先計(jì)算強(qiáng)度削弱系數(shù),接管有效厚度為,，,即開(kāi)孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)截面積,33,,,,,,,,,,,（3）補(bǔ)強(qiáng)范圍,,①有效寬度,②有效高度 外側(cè)高度：,內(nèi)側(cè)高度：,,,,34,,,,,,,,,,,（3）補(bǔ)強(qiáng)范圍,,(3) 補(bǔ)強(qiáng)面積①殼體有效

22、厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積,,,,,②接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積,接管計(jì)算厚度,所以,,,35,,,,,,,,,,,,,,,,,③焊縫金屬的截面積,（焊腳取8mm）因是內(nèi)平齊接管，所以,（4）需另加補(bǔ)強(qiáng)面積,因,故需另加補(bǔ)強(qiáng)面積,,36,,,,,,,,,,,,,,,,,（5）補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì) 根據(jù)接管公稱直徑dN150選補(bǔ)強(qiáng)圈，參照J(rèn)B／T 4736-2002《補(bǔ)強(qiáng)圈》取補(bǔ)強(qiáng)圈外徑,，內(nèi)徑,,補(bǔ)強(qiáng)圈在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)