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1、1,4.3 常规设计4.3.5 开孔和开孔补强设计,4.压力容器设计,CHAPTER Design of Pressure Vessel,2,压力容器开孔,3,压力容器开孔,4,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,m,m,n,n,压力容器的轻型化发展使其显得越加严重！,5,开孔接管根部应力集中的特点,应力集中的范围是很有限的d/D越大，应力集中越严重/D越小，应力集中越严重增大接管壁厚，可减小应力集中球壳上开孔的应力集中小于柱壳上开孔的应力集中,6,应力集中对容器安全使用的影响,应力集中,局部塑性变形,疲劳裂纹,破裂,交变载荷,7,一、补强结构,补
2、强结构,局部补强,整体补强,4.3.5 开孔和开孔补强设计,8,（1）补强圈补强,结构：,补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见（a）图。,优点：,结构简单，制造方便，使用经验丰富；,图4-37（a）,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,9,一般使用在：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38mm的场合。,应用：,HG21506-92补强圈，JB/T4736-
3、95补强圈,标准：,4.3.5 开孔和开孔补强设计,10,（2）厚壁接管补强,结构：,在开孔处焊上一段厚壁接管，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）,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,11,4.3.5 开孔和开孔补强设计,12,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，并使焊缝及其热影响区离开最大应力点，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降低1015%。,重要压力容
4、器，如核容器、材料屈服点在500MPa以上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大直径开孔容器等。,结构：,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（c）图。,优点：,缺点：,锻件供应困难，制造成本较高。,应用：,4.3.5 开孔和开孔补强设计,13,二、开孔补强设计准则,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。,开孔补强设计：,开孔补强设计准则,4.3.5 开孔和开孔补强设计,14,（1）等面积补强,定义：壳体因开孔被削弱的承载面积，须有补强材料在离孔边一定距离范围内予以等面积补偿。,原理：以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集
5、中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则。故对小直径的开孔安全可靠。,问题：没有考虑开孔处应力集中的影响，没有计入容器直径变化的影响，补强后对不同接管会得到不同的应力集中系数，即安全裕量不同，因此有时显得富裕，有时显得不足。,优点：长期实践经验，简单易行，当开孔较大时，只要对其开孔尺寸和形状等予以一定的配套限制，在一般压力容器使用条件下能够保证安全，因此不少国家的容器设计规范主要采用该方法，如ASME-1和GB150等。,4.3.5 开孔和开孔补强设计,15,4.3.5 开孔和开孔补强设计,16,焊接接头系数小于1但开孔位置不在焊缝上等等,三、
6、允许不另行补强的最大开孔直径,强度裕量,接管和壳体实际厚度大于强度需要的厚度,接管根部有填角焊缝,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,17,四、等面积补强计算,GB150对开孔范围的要求：,主要用于补强圈结构的补强计算,（1）对开孔直径的限制,18,（2）在椭圆封头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,（3）尽量不在焊缝上开孔，如果避不开必须在焊缝上开孔时，则在开孔中心为圆心，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。,3d,
7、100%探伤,19,4.3.5 开孔和开孔补强设计,20,4.3.5 开孔和开孔补强设计,21,内外侧有效高度：,按式（4-80）和式（4-81）计算，分别取式中较小值,外侧高度,内侧高度,4.3.5 开孔和开孔补强设计,22,（4-82）,（4-83）,4.3.5 开孔和开孔补强设计,23,4.3.5 开孔和开孔补强设计,24,4.3.5 开孔和开孔补强设计,25,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，则补强面积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料许用应力，则所需补强面积不得减少。,要求：,4.3.5 开孔和开孔补强设计,26,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,27,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,28,此范围之外：按碟形封头的厚度计算式（4-49）计算，,4.3.5 开孔和开孔补强设计,
