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1、1,4.3 常规设计 4.3.5 开孔和开孔补强设计,第 四 章 压力容器设计 CHAPTER Design of Pressure Vessels,2,过程设备设计,主要内容,补强结构,开孔补强设计准则,允许不另行补强的最大开孔直径,等面积补强计算,接管方位,4.3.5 开孔和开孔补强设计,3,过程设备设计,开孔带来的问题,削弱器壁的强度,产生高的局部应力,4.3.5 开孔和开孔补强设计,4,过程设备设计,4.3.5 开孔和开孔补强设计,一、容器开孔的连接结构,5,过程设备设计,4.3.5 开孔和开孔补强设计,6,过程设备设计,二、补强结构,补强结构,局部补强,整体补强,补强圈补强,厚壁接管
2、补强,整锻件补强,4.3.5 开孔和开孔补强设计,7,（1）补强圈补强,结构,补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见下图,优点,结构简单，制造方便，使用经验丰富,图4-37 （a）补强圈补强,缺点,1）与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，存在较大热膨胀差，在补强局部区域产生较大的热应力； 2）与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，抗疲劳性能差。,4.3.5 开孔和开孔补强设计,过程设备设计,8,一般用在静载、中温、 中低压、材料的标准 抗拉强度低于540MPa， 补强圈厚度小于或等 于1.5n，壳体名义 厚度n38mm的 场合。 其结构形式有如图所 示的3种。,9,补强圈补强
3、,过程设备设计,4.3.5 开孔和开孔补强设计,10,过程设备设计,4.3.5 开孔和开孔补强设计,补强圈补强,11,过程设备设计,4.3.5 开孔和开孔补强设计,补强圈补强,12,过程设备设计,4.3.5 开孔和开孔补强设计,补强圈,13,过程设备设计,中低压容器应用最多的补强结构，一般使用在 静载、常温、中低压、 材料的标准抗拉强度低于540MPa、 补强圈厚度小于或等于1.5n、 壳体名义厚度n不大于38mm的场合。,应用,HG21506-2005补强圈 JB/T4736-2005补强圈,标准,4.3.5 开孔和开孔补强设计,14,过程设备设计,（2）厚壁接管补强,结构,在开孔处焊上一段
4、厚壁接管，见（b）图。,特点,补强处于最大应力区域，能更有效地降低应力集中 系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易 检验，补强效果较好。,图4-37 （b）厚壁接管补强,高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该结构，但必须保证焊缝全熔透。,应用,4.3.5 开孔和开孔补强设计,15,过程设备设计,16,过程设备设计,4.3.5 开孔和开孔补强设计,厚壁接管补强,17,过程设备设计,4.3.5 开孔和开孔补强设计,厚壁接管补强,18,图4-37 （c）整锻件补强,（3）整锻件补强,整体锻件,4.3.5 开孔和开孔补强设计,过程设备设计,19,过程设备设计,20,过程设备
5、设计,4.3.5 开孔和开孔补强设计,整锻件补强,21,22,过程设备设计,4.3.5 开孔和开孔补强设计,23,过程设备设计,4.3.5 开孔和开孔补强设计,24,过程设备设计,该法要求带有某种补强结构的接管与壳体发生塑性失效时的极限压力和无接管时的壳体极限压力基本相同。,（2）极限分析补强,定义：,4.3.5 开孔和开孔补强设计,25,过程设备设计,三、允许不另行补强的最大开孔直径,上述因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力。因此，对于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强。,4.3.5 开孔和开孔补强设计,26,GB150规定：,在设计压力2.5MPa的
6、壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的2倍，且接管公称外径89mm时，只要接管最小厚度满足表4-14要求，就可不另行补强。,表4-14 不另行补强的接管最小厚度 mm,接管公称外径,最小厚度,4.3.5 开孔和开孔补强设计,过程设备设计,27,过程设备设计,，且d1000mm。,4.3.5 开孔和开孔补强设计,28,过程设备设计,4.3.5 开孔和开孔补强设计,29,过程设备设计,a、内压圆筒或球壳：,（4-76）,式中 A开孔削弱所需要的补强面积，mm2； d开孔直径，,圆形孔：d=dit+2C dit接管内直径；,椭圆形或长圆形孔：取所考虑平面上的尺寸
7、（弦长，包括厚度附加量），mm；,（2）所需最小补强面积A,4.3.5 开孔和开孔补强设计,30,过程设备设计,壳体开孔处的计算厚度，mm； et接管有效厚度，et =nt-C，mm； fr强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体 材料许用应力之比，当该值大于1.0时，取fr=1.0。,4.3.5 开孔和开孔补强设计,31,32,过程设备设计,4.3.5 开孔和开孔补强设计,33,4.3.5 开孔和开孔补强设计,过程设备设计,34,过程设备设计,4.3.5 开孔和开孔补强设计,35,过程设备设计,4.3.5 开孔和开孔补强设计,36,4.3.5 开孔和开孔补强设计,图4-38 有效补强范围示
8、意图（b）,过程设备设计,37,过程设备设计,4.3.5 开孔和开孔补强设计,38,过程设备设计,4.3.5 开孔和开孔补强设计,39,过程设备设计,开孔所需最小补强面积主要由d确定，当在内压椭圆形封头或内压碟形封头上开孔时，则应区分不同的开孔位置取不同的计算厚度。,五、接管方位,4.3.5 开孔和开孔补强设计,40,过程设备设计,在80%以外开孔： 按椭圆形封头的厚度计算式（4-45）计算：,4.3.5 开孔和开孔补强设计,开孔在椭圆形封头上,（4-85）,式中，K1为椭圆形长短轴比值决定的系数，由表4-5查得,标准椭圆封头：K10.9,（4-45 ）,开孔位于以椭圆形封头中心为中心，80%封头内直径的范围内： 中心部位可视为当量半径Ri=K1Di的球壳，,若为标准椭圆封头，K=1,（4-46 ）,41,过程设备设计,开孔位于封头球面部分内： 取式（4-49）中的碟形封头形状系数M=1，,开孔在碟形封头上,（4-86）,4.3.5 开孔和开孔补强设计,此范围之外：按碟形封头的厚度计算式（4-49）计算，,（4-49）,42,过程设备设计,若椭圆孔的长轴和短轴之比不超过2.5，一般仍采用等面积补强法。,非径向接管：,尽可能采用径向接管。,原因：,圆筒或封头上须开椭圆形孔，应力集中系数增大， 抗疲劳失效的能力降低。,非径向接管的开孔补强计算：,4.3.5 开孔和开孔补强设计,