开孔与开孔补强

1、开孔与开孔补强GB150.3-2011第6节1.概述2.补强计算适用范围3.等面积补强4.圆筒径向接管开孔补强设计的分析法 1.概述 为满足工艺操作、容器制造、安装、检验和维修等的要求，在压力容器上开孔是不可避免的。容器开孔以后，不仅整体强度受到削弱，而且还因开孔引起的应力集中造成开孔边缘局部的高应力。因此压力容器设计中必须充分考虑开孔的补强问题。压力容器开孔以后，可引起三种应力：a.局部薄膜应力 压力容器壳体一般承受均匀的薄膜应力，即一次总体薄膜应力。壳体开孔以后，使壳体上开孔所在截面的承载面积减少，使该截面的平均应力增大。开孔边缘的应力分布的特点是应力分布不均匀。在离开孔较远处，应力几乎没

2、有变化，而增大的应力则集中分布在开孔边缘。由此引起很大的薄膜应力，即所谓的局部薄膜应力。b.弯曲应力 容器开孔以后，一般总需设置接管或人孔等，即有另一个壳体与之相贯，相贯的两个壳体在压力载荷作用下，各自产生的径向膨胀（直径增大）通常是一致的。为使两部件在连接点上变形相协调，则必然产生一组自平衡的边界内力。这些边界内力在壳体的开口边缘及接管端部主要引起局部的弯曲应力，属于二次应力。c.峰值应力 在壳体开孔边缘与接管的连接处还会产生一种由于应力集中现象造成的分布范围很小，而数值很高沿壁厚非线性分布的应力，称为峰值应力。 容器在压力载荷下产生的一次总体薄膜应力是最基本的应力，是为平衡压力载荷所产生的

3、。这种应力如果超过材料的许用应力达到材料的屈服点，则容器将产生很大的变形（径向膨胀），这种破坏是在一次加载条件下就发生的，称为静力强度失效。 由于相贯壳体变形协调产生的边界内力引起的局部弯曲应力自限性，不会使容器在一次加载条件下发生破坏。但它可能在多次加载条件下，即多次加压卸压的加载方式下，造成开孔附近的局部破坏。即发生所谓的失去安定性的塑性疲劳破坏。 等面积补强法对开孔边缘的二次应力的安定性问题是通过限制开孔形状、长短径之比和开孔范围（开孔率）间接加以考虑的，使孔边的局部应力得到一定的控制。 等面积补强法对开孔边缘的峰值应力问题未加考虑，为此不适用于疲劳容器的开孔补强。 2. GB150.3

4、-2011中开孔补强的计算包括等面积法和分析法。 2.1适用范围：2.2分析法适用的范围2.3不另行补强的最大开孔直径 3.等面积补强 3.1等面积补强概念： 补强是保障开孔局部截面的拉伸静力强度，属于拉伸强度补偿。为保障内压壳体开孔局部截面的拉伸强度，从补偿角度讲：壳体由于开孔丧失的拉伸承载截面积应在孔边有效补强范围内等面积地进行补偿，俗称等面积补强。3.2单个开孔补强的等面积法适用范围：3.3补强的结构形式1）补强圈补强 接管壁厚选用，特别是小接管的壁厚选用常出现不合理的现象。 对于要求接管与壳体的焊接接头采用全焊透的结构时，接管壁厚应取1/2壳体壁厚或取接管壁厚6mm两者的较小值。 对于

5、坡口熔敷金属量大的焊接接头，当壳体壁厚大于16mm时接管壁厚应大于8mm；当壳体壁厚较大（壁厚 20mm）时，接管与壳体的连接焊缝宜采用双面坡口。 对于低温压力容器，与壳体相焊的接管壁厚应不小于5mm，其中DN50的短接管宜采用锻造的厚壁管或异径管。2）整体补强:增加壳体厚度或用全焊透的结构形式将厚壁管或整体补强锻件与壳体相焊。 符合下列条件之一应考虑采用整体补强：a. 容器设计压力p4MPa；b. 容器设计温度大于350C；c. 承装极度、高度危害介质的压力容器（介质 毒性HG20660）；d. 疲劳压力容器；e. 补强圈结构不能满足要求的补强。受内压壳体开孔所需补强面积公式：开孔直径及强度

6、削弱系数：)1 (2retopfdA 受外压壳体开孔所需补强面积公式： 式中为壳体外压计算有效厚度，其余同内压工况。)1 (2 5 . 0retopfdA 平盖开孔补强 平盖无论在内压或外压作用下，板中产生的始终是弯曲应力，为此只存在弯曲强度问题，不存在稳定问题。故平盖不仅内压厚度计算与外压厚度计算方法相同，而且开孔补强计算的方法也是一致的，在开孔率较大时，其开孔补强按法兰。 平盖开单个，且开孔直径 （Do取平盖计算直径，对非圆形平盖取短轴长度）时，所需最小补强面积按式 开孔率（开孔直径与平盖直径之比）大于0.5的平盖，受力与法兰相近，故其开孔补强按法兰或反向法兰计算。Dodop5 . 0popdA5 . 0有效补强范围： 两个方向的补强范围（1）沿壳体经线方向的补强范围： 是依据受均匀拉伸作用的开小孔大平板，孔边局部应力集中的衰减范围确定的。（2）沿接管轴线方向的补强范围： 是依据圆柱壳在端部均布载荷作用时，柱壳中局部环向薄膜应力的衰减范围确定的。opdB2nt