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1、埏埴以为器，当其埏埴以为器，当其无，有器之用。无，有器之用。第二节第二节 开孔及补强设计开孔及补强设计第三章 压力容器的整体设计问题开孔带来的问题开孔带来的问题破坏了原有的应力分布并引破坏了原有的应力分布并引起应力集中起应力集中接管处形成结构不连续应力接管处形成结构不连续应力壳体与接管连接的小圆角处壳体与接管连接的小圆角处的应力集中的应力集中弹性应力集中系数弹性应力集中系数一、开孔应力集中及应力集中系数一、开孔应力集中及应力集中系数（一）开孔应力集中（一）开孔应力集中 最大应力在孔边，是应力集中最严重的地方。最大应力在孔边，是应力集中最严重的地方。孔边应力集中有局部性，衰减较快。孔边应力集中有
2、局部性，衰减较快。（二）开孔并带有接管时的应力集中（二）开孔并带有接管时的应力集中（三）应力集中系数的计算（三）应力集中系数的计算 第三章 压力容器的整体设计问题二、开孔补强设计的要求二、开孔补强设计的要求（一）允许不另行补强的最大开孔直径（一）允许不另行补强的最大开孔直径 不另行补强的接管最小厚度 mmGB150规定：规定：（二）最大开孔的限制（二）最大开孔的限制 GB150对开孔最大直径的限制：对开孔最大直径的限制：a.圆筒上开孔的限制：圆筒上开孔的限制：内径Di1500mm时，开孔最大直径d ，且d520mm；内径Di1500mm时，开孔最大直径d ，且d1000mm。b.凸形封头或球壳
3、上开孔最大直径凸形封头或球壳上开孔最大直径d。第三章 压力容器的整体设计问题c.锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径d ，Di为开孔中心处的锥壳内直径。为开孔中心处的锥壳内直径。d.在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心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。线宜垂直于封头表面。GB150对开孔最大直径的限制：（三）补强结构（三）补强结构局部补强局部补强补强圈补强补强圈补强厚壁接管补强厚壁接管补强整锻件补强整锻件补强第三章 压力容器的整体设计问题整体补强整体补强增加筒体和封头的壁厚增加筒体和封头的壁厚1.高强度钢（b540MPa）和铬钼
4、钢制造的容器；2.补强圈的厚度超过被补强件壁厚的1.5倍或超过tmax（碳钢tmax32mm；16MnR tmax30mm）；3.设计压力大于等于4MPa；4.设计温度大于350；5.容器壳体壁厚大于等于38mm；6.极度、高度危害介质的压力容器；7.疲劳压力容器。（a）缺点：缺点：2）与壳体采用搭接连接，）与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，抗疲难以与壳体形成整体，抗疲劳性能差。劳性能差。1补强圈补强补强圈补强结构：结构：补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见（补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见（a）图。）图。优点：优点：结构简单，制造方便，使用经验丰富；结构简单，制造方便，使用经验丰富；1）与
5、壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在）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；局部区域产生较大的热应力；第三章 压力容器的整体设计问题中低压容器应用最多的补强结构，一般使用在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、静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于材料的标准抗拉强度低于540MPa、补强圈厚度小于或等于补强圈厚度小于或等于1.5tn、壳体名义厚度壳体名义厚度tn不大不大38mm的场合。的场合。应用：应用：HG21506-92补强圈补强圈，JB/T4736-
6、2002补强圈补强圈标准：标准：2厚壁接管补强厚壁接管补强结构：结构：在开孔处焊上一段厚壁接管，见（在开孔处焊上一段厚壁接管，见（b）图。）图。特点：特点：补强处于最大应力区域，能更有效地降低应力集中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。检验，补强效果较好。（b）高强度低合金钢制压力高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该性较高，一般都采用该结构，但必须保证焊缝结构，但必须保证焊缝全熔透。全熔透。应用：应用：第三章 压力容器的整体设计问题全焊
7、透全焊透（c）3整锻件补强整锻件补强 结构：结构：将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接，见（壳体和接管焊接，见（c）图。）图。补强金属集中于开孔应力最大部位，能最有效地降低补强金属集中于开孔应力最大部位，能最有效地降低应力集中系数；可采用对接焊缝，易探伤，质量易保应力集中系数；可采用对接焊缝，易探伤，质量易保证，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降低证，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降低1015%。重要压力容器，如核容器、材料屈重要压力容器，如核容器、材料屈服点在服点在500MPa以上的容器开孔及以上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的
8、大受低温、高温、疲劳载荷容器的大直径开孔容器等。直径开孔容器等。优点：优点：缺点：缺点：锻件供应困难，制造成本较高。锻件供应困难，制造成本较高。应用：应用：第三章 压力容器的整体设计问题（四）补强圈和焊接的基本要求（四）补强圈和焊接的基本要求（a）外补强平齐（b）内补强平齐（c）外补强内伸（d）内外补强内伸图311 补强圈补强的基本形式 大多数中低压化工容器采用补强圈补强，最常用的是大多数中低压化工容器采用补强圈补强，最常用的是外补强的平齐接管式，只有在仅靠单向补强不足以达到外补强的平齐接管式，只有在仅靠单向补强不足以达到补强要求时才采用内外双面补强结构。补强要求时才采用内外双面补强结构。第三
9、章 压力容器的整体设计问题（四）补强圈和焊接的基本要求（四）补强圈和焊接的基本要求第三章 压力容器的整体设计问题M10的螺纹孔的螺纹孔 补强圈与接管及与壳体的焊接是填角焊及搭焊，视补强圈与接管及与壳体的焊接是填角焊及搭焊，视容器操作条件及设计要求决定是否全焊透。焊缝的成形容器操作条件及设计要求决定是否全焊透。焊缝的成形应圆滑过渡或打磨至圆滑过渡。应圆滑过渡或打磨至圆滑过渡。检查检查孔孔（五）开孔补强的设计准则（五）开孔补强的设计准则指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数减小到某一允许数值。应力集中系数减小到某一允许数值。开孔补强设计：开孔补强设计：
10、开孔补强设计准则开孔补强设计准则弹性失效设计准则弹性失效设计准则等面积补强法等面积补强法塑性失效准则塑性失效准则极限分析法极限分析法第三章 压力容器的整体设计问题等面积补强计算等面积补强计算主要用于补强圈结构的补强计算。主要用于补强圈结构的补强计算。基本原则：基本原则：使有效补强的金属面积，等于或大于开孔使有效补强的金属面积，等于或大于开孔所削弱的金属面积。所削弱的金属面积。有效补强范围：有效补强范围：在一定范围内能起补强作用，除了此范在一定范围内能起补强作用，除了此范围，则起不到补强作用。围，则起不到补强作用。有效补强区：有效补强区：见见P109图图3-12，矩形，矩形WXYZ。第三章 压力
11、容器的整体设计问题补强区宽度B=2dB=d+2Tn+2tn两者中取大值补强区外侧高度h1=接管实际外伸长度两者中取小值补强区内侧高度h2=接管实际内伸长度两者中取小值第三章 压力容器的整体设计问题 补强材料一般需与壳体材料相同，若补强补强材料一般需与壳体材料相同，若补强材料许用应力小于壳体材料许用应力，则补材料许用应力小于壳体材料许用应力，则补强面积应按壳体材料与补强材料许用应力之强面积应按壳体材料与补强材料许用应力之比而增加。若补强材料许用应力大于壳体材比而增加。若补强材料许用应力大于壳体材料许用应力，则所需补强面积不得减少。料许用应力，则所需补强面积不得减少。注意：注意：第三章 压力容器的整体设计问题本节重点允许不另行补强的开孔情况；允许不另行补强的开孔情况；各种补强结构的特点；各种补强结构的特点；等面积补强的原则；等面积补强的原则；有效补强区。有效补强区。平板开小圆孔的应力集中平板开小圆孔的应力集中球壳开小圆孔的应力集中球壳开小圆孔的应力集中柱壳开小圆孔的应力集中柱壳开小圆孔的应力集中开孔的开孔的应力集应力集中现象中现象球壳开孔接管处的变形协调与内力球壳开孔接管处的变形协调与内力第三章 压力容器的整体设计问题