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1、2019/6/5,1,第十二章 开孔补强与设备凸缘,11-1 开孔补强,一、容器接管附近的应力集中 （一）单向受拉平板小孔边缘处的应力集中现象 一单向受拉的矩形薄板，在中央开有一小孔，当在板的两个侧面作用有均匀拉力时，板的横截面内将产生拉伸应力，如果所取截面过此小孔，原来作用在小孔截面面积上的应力向附近转移，结果导致在紧靠开孔边缘处的应力急剧增长，即所谓应力集中现象。,2019/6/5,2,在远离小孔的横截面上各点的应力均匀分布且=q； 如果截取的横截面穿过空心，由于该截面被削掉了2a，便出现了应力集中现象。,2019/6/5,3,分析：,筒体上开椭圆孔，如何开？,应使其短轴与筒体的轴线平行，
2、以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。,因为薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍，,应力集中和开孔形状有关，圆孔的应力集中程度最低。,2019/6/5,4,（二）容器接管附近的应力集中 研究表明：若被开孔部位的壳体或封头厚度为、直径为D、开孔孔径d为时，那么在接管根部开孔边缘处的应力集中现象将具有如下特点： （1）应力集中的范围是极为有限的。 （2）开孔孔径的相对尺寸d/D越大，应力集中情况越严重，所以开孔不宜过大。 （3）被开孔壳体的/D越小，应力集中情况越严重，如果将开孔四周壳体厚度增厚，则可极大地改善应力集中情况。,2019/6/5,5,补强圈补强：在开孔周围一定范围
3、内（B=2d）采用焊接补强圈的方法，可以减小开孔附近的应力集中。 整体锻件补强：在一些补强要求高的容器上，把需要局部增厚的壳体部分全部挖掉，换上真正增厚了的壳体。 补强管补强：增大接管壁厚，即用特意加厚的接管来改善开孔处的应力集中。 （4）在球壳上开孔的应力集中系数稍低，因此在可能的条件下，开孔在封头优于开在壳体上。,2019/6/5,6,（三）应力集中对容器安全使用的影响 压力容器的壳体与接口管都是用塑性良好的钢制造的，如果容器内介质压力平稳，应力集中对容器的安全使用不会有太大影响。因为在局部高应力下的金属可借助出现少量的塑性变形使应力的增长达到材料屈服限时即告终止。 如果容器内的压力有较大
4、的波动或有周期性的变化，应力集中将可能影响容器的安全使用。 交变应力引起的破坏称为“疲劳”破坏。应力集中是容器出现疲劳破坏的根源。,2019/6/5,7,二、补强结构与计算 （一）补强圈补强 1、补强计算 补强计算最简单的方法是依据等面积补强准则建立起来的。 等面积补强准则：由于开孔，壳体承受应力所必须的金属截面被削去多少，就必须在开孔周围的补强范围内补回同样面积的金属截面。,2019/6/5,8,2、补强圈的应用 补强圈补强广泛应用于中、低压的压力容器上。,在开孔周围一定范围内紧靠接管贴焊一块补强圈。,2019/6/5,9,（1）补强圈所提供的补强金属截面过于分散，补强效率不高，载荷反复波动
5、的容器上也不宜用。 （2）补强圈与壳体之间存在着一层静止的气隙，传热效果差，在壳体与补强圈之间容易引起热应力。 （3）补强圈与壳体相焊时，形成内外两圈封闭焊缝，增大了焊件的刚性，对焊缝冷却进的收缩起较大的约束作用，易在焊缝处造成裂纹。 （4）使用补强圈后，在补强圈外缘与壳体的搭接填角焊缝处，易造成新的应力集中，易开裂。,2019/6/5,10,（5）由于补强圈没有和壳体或接管金属真正熔合成一个整体，因而抗疲劳性能差，其疲劳寿命比未开孔时降低30%左右。 由于存在上述缺点，所以采用补强圈补强的容器必须同时具备以下三个条件： （1）壳体材料的标准抗拉强度不能超过540MPa，以避免出现焊接裂纹。
6、（2）补强圈的厚度不能超过被补强壳体名义厚度n的1.5倍。 （3）被补强壳体的名义厚度n 38mm。,2019/6/5,11,（二）补强管补强 采用厚壁管补强就是利用在补强有效区内管壁多余的金属截面来补足被挖去的壳壁承受应力所必须的金属截面。 结构简单，制造与检验都很方便，多用于低合金钢容器或某些高压容器。,2019/6/5,12,（三）整体锻件补强 整体锻件与被开孔的壳体之间以及与接管之间采用的都是受力状态最好的对接焊接接头，且焊缝及其热影响区都可以设计得远离最在应力点位置，所以抗疲劳性能好。 缺点：锻件供应困难，制造烦琐，成本较高，只用在有较高要求的压力容器上。,2019/6/5,13,2
7、019/6/5,14,三、容器上开孔及补强的有关规定 （1）开孔尺寸的限制,（2）在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面。,2019/6/5,15,（）尽量不要在焊缝上开孔，如果避不开时，则 在以开孔中心为圆心，以1.5倍开孔直径为半径的 圆中所包容的焊缝，必须进行100%的探伤。 （4）壳体开孔满足下述要求时,可以不另行补强； 设计压力不大于2.5MPa ； 两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍； 接管公称外径小于或等于89mm； 不补强接管的外径及其最小壁厚应符合下表规定。,2019/6/5,16,允许不另行补强的接管外径与最小壁厚/mm,2019/6/5,17,11-2 容器的接口管与凸缘,用于装置测量、控制仪表，或连接其他设备和介质的输送管道。,一、接口管,焊接设备的接口管长度,接口管长度 h/mm,2019/6/5,18,铸造设备接管可与筒体一并铸出。 螺纹管主要用来接温度计、压力表或液面计等，,2019/6/5,19,二、凸缘,当接管长度必须很短时，可用凸缘(又叫突出接口)来代替接管。 凸缘本身具有加强的作用，不需再另外补强。 缺点是当螺柱折断在螺栓孔中时，取出较困难。 由于凸缘与管道法兰配用，因此它的联接尺寸应根据所选用的管法兰来确定。,2019/6/5,20,