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内容概要第12章开孔补强与设备凸缘§1开孔补强§2设备凸缘返回一.容器开孔附近的应力集中(一)受拉平板上小孔边缘处的应力分布

⒈开有小圆孔的平板(1)单向拉伸的平板如下图所示:

小圆孔距板边较远,半径为a。根据弹性力学理论推导出距孔心为ρ的点K的径向应力σr,切向应力σθ和剪应力τrθ:返回在小孔边缘,即ρ=a时:

即在小孔边缘只有切向应力σθ,其分布很不均匀,如图12-1。图12-1

由公式可以看出,ρ增大,σr,

会逐渐增大,但不会超过q,而σθ则随ρ值增加而迅速衰减,如图:-

综上所述,受单向拉力q的矩形平板,因开孔引起的最大拉应力出现在孔边,作用在过孔心并与q力垂直的截面上。最大压应力也出现在孔边,作用在过孔心与q力平行的截面上。

(2)双向拉伸的平板当两向拉力不同时,在弹性变形范围内开孔附近应力可叠加求解。q1q22aγθ

若平板受双向压力,则可用单向受压平板的上述结论分别计算q1和q2单独作用时的应力值,然后进行叠加。如:当q1>q2时,可计算出最大切向应力在孔的边缘处,其值为:

即最大应力总是在与较大的拉应力方向相垂直并通过孔心的截面上。当球壳直径较大,q1=q2时在r=a的孔边处σmax=σθ=2q,孔边应力高于原离孔区附近的均匀应力一倍。(3)回转壳体上开小圆孔在直径较大的薄壁圆筒上开小圆孔,此时q1=2q2在r=a

处θ=0,π时,σθmax=q2;θ=±π/2时,σθmax=5q2。

σθmax比远离孔口区域圆筒壳中的周向应力大2.5倍。由此可知,孔边的应力远大于无孔时的应力,也远大于距孔边稍远处的应力,这种现象称孔边应力集中。孔边应力集中是局部现象,在几倍孔径以外,应力分布情况及数值大小都几乎与无孔时相同。一般讲,应力集中的程度越高,集中现象越是局部性的。⒉开有椭圆孔的平板abq1q1q2q2

开有椭圆孔的平板受单向拉伸(q2=0),长轴与受力方向平行时,短轴两端切向应力最大,其值为:

短轴与受力方向平行时,长轴两端切向应力最大,其值为:

若平板受双向拉力,且q1>q2,则当长轴与q1平行时,最大应力出现的区域需通过以下两式计算:在短轴两端:在长轴两端:

当椭圆长轴与较大外力q1方向垂直时,最大应力出现在长轴两端,其值为:

由此可见,最不利的是使椭圆的长轴与大的外力方向垂直。二、回转壳体上开小孔时所造成的应力集中以下讨论有两个前提:(一)孔的半径a相对于壳体的曲率半径R很小,壳体可近似当作平板。(二)开孔处未安装接管。

若忽略壳体曲率的影响,则开小孔的球壳可近似看成开小孔受双向拉伸的平板,且(σ是球壳中的薄膜应力).⒈球壳上开小圆孔于是,球壳上小孔边缘任一点的环向应力均为:

球壳开孔边缘上的最大切向应力与该球壳环向薄膜应力之比称为应力集中系数,用K表示:⒉圆柱壳体上开小圆孔

若忽略圆柱曲率影响(当a/R较小时),则可把圆柱壳看成双向受拉平板,且q1=σθ,q2=σm。孔边的最大应力出现在孔中心线所在的壳体纵向截面上,其值为:应力集中系数(边缘地区最大应力与周向薄膜应力之比):

可见,圆柱形壳体上开孔的应力集中系数比球形壳体的大,而且球壳上的薄膜应力比筒体的轴向薄膜应力小一半(当二者壁厚相等时),因此,具有球形封头的压力容器,若需开孔时,应尽量开在封头上。

对于球壳:σθ=σm,所以不论椭圆孔的方向如何:⒊壳体上开小椭圆孔

当接管的轴线方向和壳体开孔中心点的法线方向不一致时,壳体上需开椭圆孔。

可见无论是球壳还是圆柱壳,如果接管的方向不垂直于壳体,将使孔边应力集中系数增大。

对于圆柱壳:σθ=2σm,如果椭圆孔的长轴与壳体轴线平行,则:(二)容器接管附近的应力集中

当容器上开孔较大,开孔后安装接管时,就必须考虑壳体自身的曲率半径及接管对开孔边缘处应力集中的影响。

为方便使用,通常把各种不同尺寸的开孔接管附近的应力峰值,根据理论计算或通过实验实测出来,然后以应力集中系数的形式绘成曲线(旧教材图12-12,12-13)。曲线的横坐标ρ称为开孔系数

式中:r-开孔半径(接管半径,中径)

R-壳体半径(中径)

r/R-接管尺寸(即开孔)的相对大小

R/δ与壳体刚度有关,壳体刚度越差,接管直径越大时,则开孔系数ρ一般也越大。ρ越大,应力集中越严重。从两组曲线还可看出,增加接管壁厚可减小应力集中程度。

上述曲线对开孔大小的限制范围是:对壳体壁厚的限制范围是:

压力容器的壳体与接管都是用塑性良好的钢材制造的。(1)若容器内介质压力平稳,接管开孔边缘处的应力峰值对容器的安全使用不会产生太大影响。(2)若容器内的压力有较大波动或呈周期性变化(频繁开,停车),则器壁内的应力也跟着变化。处于应力集中区内的金属易产生疲劳破坏,

应保证其根部金属在工作时处于安定状态:。

返回(一)、补强结构

常用的局部补强形式有三种:补强圈补强,加强管补强,整锻件补强。见下图:二.补强设计结构及计算⒈补强侵圈补强裂:缺点:与另外性两种补忙强结构等相比,落补强后解应力集倡中系数华偏高;轨易引板起温差务应力;萝补强游搭接焊庙缝抗疲匪劳性能融差。故其只落适用于办静载,勤常温低却压容器颠上,且摩有如下敲限制:①补强圈调钢板的常兼温抗拉强导度σb<504跟MPa。②补强圈厚厚度不冷应超过推壳体名睛义壁厚纽奉的1.拖5倍,迁且不大收于38mm。优点:结构芒简单,喊制造容姜易,有冷一定补虚强效果是在开记孔周围先一定范愁围内紧转靠接管止贴焊一值块补强朱圈。补叛强圈的培材料一雕般与壳律体相同澡。⒉加强管庭补强:即在开孔鸽处焊一加厌厚接管。优点:补强结构刚简单,焊垄缝少,焊始接质量容窑易检验。缺点是焊缝蕉处于最搭大应力鸟区域内听。⒊锻件女补强:将接管薯与壳体蓬连同加桥强部分气做成一皆个整件百锻件,域然后再樱与壳体牢和接管塔焊在一辣起。优点:补强金盐属集中净于开孔怪应力最丛大的部灯位,应鼻力集中痰系数小百;且罢焊缝及廉其热影书响区都道可设计谨得远离母最大应践力点位栏置,所础以抗疲遭劳性能袄好。用途:用在有屯严格要促求的设夹备上.规定:补强金属稍在通过开鞋孔中心线弊的纵截面昏上的正投础影面积As,必须等享于或大冷于壳体享由于开较孔而在都这个纵推截面上阅所削弱堡的正投伸影面积A。等面积补蜜强所适用弱的孔径是危有限制的艺,可查有昼关规定。(二)补凉强计算1.补强什圈的补强优计算-早----钥等面积补掠强含义:恢复壳壁应的平均厚凡度。依据:等面积补尖强原则。图.补强住范围首先确定密补强区的炉有效范围紧:有效宽谣度:取B=2垮d和B=d殿+2δn+2δnt两者中较帮大值.<d为开孔鹊直径,d=di+2Ct,Ct为接管悦壁厚附化加量,Ct=Ct1+Ct2>有效高灭度:①外侧高泥度h1=接管实之际外伸斥高度②内侧油高度h2=接管实奖际内伸趣高度取较小坦值取较小孤值(1)膝补强范危围(臣见上图琴)补强计算研步骤为:实际开药孔直径伟:(2)补强金导属面积润计算原则:补酸强的金属舅截面必须屿等于或大握于开孔减清去的面积血。①壳体因筝开孔削弱限所要求的版补强面积复为A:含义:开棒孔削去的串金属面积。a.承受内压坑的回转壳滤体开孔时垫,A=d•δ0式中δ0按(1妈0-9踏)或(兴10-厨13)输公式计冒算。b.平板封剪头上开惊孔时:A=0.骗5d•δ0式中:c.承受外晴压的回掩转壳体端上开孔救时:式中:fr-强度削才弱系数糊,当fr>1时,取fr=1,该系数贵主要考亏虑管壁均金属截企面补偿耻壳壁金港属截面移所引起件承压能颤力上的色差别。A1-壳体或封叹头承受内万(外)压扯所需厚度δ0及壁厚附共加量C两者之桐外的多肿余金属黑截面:A1=(B-揪d)(δe-δ0)A2-接管承挺受内(牌外)压约所需厚往度δt和壁厚附絮加量Ct(内伸时还庆包括Ct2)两者之外碑的多余金震属截面。A2=[2折h1(δet-δt)+2h2(δet-Ct2)]frA3-补强区内牺的焊缝金估属截面积此(焊缝截谋面指角焊知缝或组合异焊缝中角到焊缝的那喘一部分)办,按等腰编直角三角牺形计算。②有效努补强范棋围内,荐能起拌补强作腊用的金绒属面积革有:(3)判弟定是否需绍另加补强恶截面(贴努焊补强圈赵):若A1+A2+A3≥A,则开孔不偷需补强。若A1+A2+A3<A,则需另加蜓补强圈,蹲其面积:As=A-悦(A1+A2+A3)As为补强刃圈应提泳供的最孝小补强贯截面。若补强圈搬内径为d1,外径为d2,则补强圈哨所需最小饱厚度为:补强圈尺戚寸可查表帽12-1。例1:纷某厂笛有一设明备,内爬直径Di=24究00m略m,封头为当标准椭貌圆形封部头,壁弦厚δn=20们mm,封头中割央有一ф273ⅹ巨8的平齐仆接管,贩开孔不崇过封头泡焊缝,辣已知设婚计压力p=2M坛Pa,设计温度t=1拆00oC,设备材料阅为16MnR,接管为Q235第-A,封头壁厚令附加量C=4列mm,管子附加量Ct=2m旧m,试做开孔穴补强设计饮,并验算绵孔边应力。解:一殃.补强设借计δδn⒈强度描计算壁归厚:按表1初1-2标准椭圆贪形封头16MnR在10缸0oC时的[σ]t=16划3MP僚aQ23眨5-A在10刑0oC时的[σ]t=11盐3MP许a接管计算丢壁厚:⒉按等面积赴法进行补叔强计算⑴开孔削摘弱的器壁犯面积A开孔直径∴⑵补强弯范围:⑶多余截某面积:封头壳净壁:接管:焊缝金圈属截面荡积:取双焊角高童度最小岸值6mm,按等腰滩直角三麦角形计谣算:A3=1/2服×6×6牙×2=3巡寿6mm2⑸补强圈趁厚度及其涝外径:参照表评12-值1,对ф273的管子抖选择补捧强圈外阿径D0=48省0mm屋,内径d=27盯7mm,故补强圈尖厚度为:取补强圈龙厚度计算时比膏较有效补魂强区内的山两种厚度根,δS和[δs]。(1)疯开孔处族壳体需要补强的当量厚缎度δSδS=δ0-(δe-δ0)=δ0-(δn-c-兆δ0)=2先δ0-δn+c式中:δe——罢壳体拨的有效比厚度δ0——开孔被挖凝掉的承受羡压力所必贪须的厚度纺。δS——需要另外柏补加的厚订度,由补咬强管在补强有效区旦内的补溉强厚度提旦供。2.补强垮管补强(HGJ5迈27-9扁0)当补强管凶的许用应汤力[σ]T<壳体材料蹄的许用应再力[σ]时,δS=2δ0-δn+c芬/fr式中fr=[σ]T/[σ]δ0的计算线同前。(2)补登强管可遗以提供厉补强用状的当量复厚度[δS]任何一个亩补强管,拦当它的尺摩寸、材质红、工作条讲件(p、t、c2)确定以愉后,在有易效范围内砖,它能提喉供的补强费面积AS可以计算吃,并可把AS转化为可距以与δS比较的[δS]补强管结理构见教材P332珠,不同直径跑和厚度补左强管的有结效厚度和伙许用当量弱厚度可查号表12-惩2~12率-3。补强管厚尸度明显大腊于普通接护管,多出才来的厚度溜作为补强翼。但每种毕尺寸的接而管究竟提吊供多达的捞补强厚度[δS]则须将凉下列因味素考虑蚕进去1)补强区羊的有效高碑度h0,按表中局所示,[δS]是按这蚂些h0确定的2)补强管脂的设计鸭压力p,压力越垦大补强管佳能提供的征补强厚度斑越小,所涨以确定[δS]时应给由出补强泄管的设帆计压力3)补强管材骑料的许用盲应力越大燃,其提供疫的[δS]越大。因为在同天样尺寸,笔同样压力律下,补强功管承压所久需要的厚膏度随许用况应力的增此大而减小按以上规前定,补强葬管许用压冻力取120M海Pa,设计献压力取0.4、1.0、1.6、2.5、4.0和6.4(MPa)六个息等级所障得[δS]列于12-4当实际罪补强管虏的设计扛压力不蕉同于上寄述情况澡,许用需应力不卵等于120站MPa,则按讯下式处编理:pD=12哪0p/朝[σ]T所以查表12-宏4时,应告先对压圈力进行球修正,网再查[δS](3)补强形夺式与尺寸泉的确定借助于表12-哨4,具体危过程见艰例题12-蒙1(P335)(三)填整锻件妨补强这种结构滴相当于把肚补强圈周紫围金属与哥开孔周围始金属融合闸在一起,锡用一个整田体锻件来诊承受并减荡小开孔附弟近应力集却中的高应将力。若采用密嫩集补强形撑式并加大础过渡圆弧仙半径,则诵补强效果穿更好。三.容动器开孔及段补强的有梅关规定1.开今孔尺寸堤的限制筒体和封色头上开孔品的允许最姓大直径2.开胳孔位置钻的限制(1)在忧椭圆形或欠碟形封头白上开孔时念,开孔的辞边缘(如挺果有补强稀圈则指补亿强圈外径戒边缘)距昏封头周边属的最小投精影距离不怀得小于0.1Di(Di是封头寸的内直散径)。(2)尤开孔应粒尽量避隐开焊缝坛,如果铜必须在延焊缝上卧开孔时骄,则对胖以开孔慎中心为员圆心,廊以1.写5倍开栏孔直径薪为半径亩的圆中贱所包容霞的焊缝帖必须进溪行10棚0%的简探伤。4.允许不饰另行补将强的条鞋件和规轧定允许不另它行补强的唇接管外径肉与最小壁睡厚(mm)结束3、在椭艇圆形碟已形封头袍上过度葱部分开俭孔时,非其孔德念中心线茄位于封泡头上表讯面。1)设计漏压力不板大于2.5畅MPa2)两相蜡邻开孔土中心距沙小于两号孔直径残之和的嚷两倍3)接管皱公称外吗径小于士或等于89m萌m4)接管外羞径和最小弃壁厚符合锹下表规定§设备凸香缘凸缘又称拼凸出接口歌,当接管挂长度必须毒很短时,屠可用凸缘店代替接管张。凸缘种底类法兰凸缘管螺纹凸嫩缘一.法努兰凸缘法兰凸笔缘的结守构见图羡12—恢10。凸缘与容掏器的连接齿方式有A型和B型两种粮,见图锈。凸缘的撤优点:具有开孔狭补强作用煌,不须另券行补强。缺点:倚螺栓折烤断在螺充栓孔时躲,取出纹困难。凸缘常与器管配用法醉兰,其连扣接尺寸和必密封面形掩式应与管放法兰一致梅。法兰凸偶缘的最梨大允许女工作压财力取决喊于所有义材料和输工作温副度,见表12唤—9。二.管靠螺纹凸胃缘常用于叔安装测码量仪表舱,其最痒大外径领不超过85m躬m,一般趋多是40m泉m左右,仙与壳体饮的连接民与插入留式接管票相同9、静夜四畜无邻,荒晕居旧业贫直。。4月-2制34月-烤23Frid罪ay,肺Apri散l28赴,20俘2310、雨中糊黄叶树蔽,灯下挣白头人掏。。14:1烫2:5314:1梅2:5314:兵124/28然/202丽32:堡12:5雁3PM11、以我赵独沈久弱,愧君牛相见频休。。4月-2县314:速12:册5314:早12Apr羽-2328-A边pr-2谢312、故人存江海别土,几度催隔山川反。。14:悟12:咸5314:1板2:5314:1倍2Fri卖day裹,A脉pri留l2杂8,险202庄313、乍见翻锤疑梦,相欢悲各问年望。。4月-2管34月-督2314:1配2:5314:1厚2:53Apri弦l28辅,20趣2314、他乡生躁白发,旧坟国见青山泼。。28昌四月脏202悦32:1述2:5喊3下岗午14:栗12:润534月-2昼315、比不权了得就灭不比,爹得不到惭的就不酿要。。。四月跟232:1附2下律午4月-2挥314:1狗2Apri内l28膛,20声2316、行动出品成果,工缺作出财富往。。202浅3/4尤/28险14拳:12往:5314:泛12:园5328A略pril县202共317、做前叔,能够顷环视四庆周;做喂时,你胸只能或米者最好佛沿着以缠脚为起万点的射虫线向前背。。2:12静:53滥下午2:12岁下午14:1趟2:534月-块239、没有失尼败,只有且暂时停止弟成功!。4月-徒234月-2言3Frid望ay,抢Apri短l28筐,20新2310、很多虹事情努弯力了未颈必有结忍果,但衣是不努肿力却什盗么改变佩也没有耐。。14:1挥2:5314:奔12:想5314:颤124/2呼8/2影023肾2:航12:帆53味PM11、成功刃就是日外复一日桑那一点谣点小小烛努力的拢积累。织。4月-2陶314:钳12:那5314:枪12Apr-扎2328-A下pr-2挨312、世间成锁事,不求倚其绝对圆梯满,留一院份不足,留可得无限肯完美。。14:碎12:惩5314:1但2:5314:窄12Fri惧day论,A鼓pri催l2权8,期202皆313、不知病香积寺烧,数里渔入云峰峡。。4月-钉234月-2吹314:清12:嚼5314:搬12:颠53Apri约l28斑,20回2314、意志斜坚强的欧人能把详世界放鲜在手中灵像泥块属一样任搭意揉捏当。28谋四月魂202眉32:12旋:54艳下午14:1仙2:544月-教2315、楚塞讲三湘接塔,荆门认九派通炼。。。四月2竿32:12迹下午4月-毕2314:富12Apri暂l28姜,20阳2316、少年贴十五二共十时,桥步行夺拦得胡马捏骑。。202住3/4肝/28对14纳:12未:5414:1左2:5428A删pril威202至317、空山红新雨后慎,天气晶晚来秋萄。。2:12公:54蜡下午2:12尸下午14:掠12:章

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