1、僅供借鑒# Hefei University 化工機(jī)械與設(shè)備化工機(jī)械與設(shè)備過程考核之三過程考核之三 典型化工設(shè)備零件機(jī)械設(shè)計(jì)典型化工設(shè)備零件機(jī)械設(shè)計(jì) 題 目：4MPa 反應(yīng)釜開孔補(bǔ)強(qiáng)零件設(shè)計(jì)反應(yīng)釜開孔補(bǔ)強(qiáng)零件設(shè)計(jì) 系 別：化學(xué)材料與工程系化學(xué)材料與工程系 班 級(jí)：09 化工（化工（4） 姓 名：梅源梅源 學(xué) 號(hào)：0903024043 隊(duì) 別：Team 36 教 師：胡胡 科科 研研 日 期：2011-12-11 僅供借鑒# 目錄目錄 1 前言及概念.3 1.1 開孔補(bǔ)強(qiáng)的適應(yīng)范圍和方法.3 1.2 滿足開孔條件時(shí)，可采用的三種補(bǔ)強(qiáng)方法.3 1.3 開孔補(bǔ)強(qiáng)的目的.4 1.4 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)(補(bǔ)強(qiáng)元件

2、類型).4 1.4.1 加強(qiáng)管補(bǔ)強(qiáng).4 1.4.2 整體鍛件補(bǔ)強(qiáng).4 1.4.3 加強(qiáng)圈的補(bǔ)強(qiáng).4 1.5 殼體開孔的有關(guān)規(guī)定.5 1.5.1 允許不補(bǔ)強(qiáng)時(shí)開的最大孔直徑.5 1.5.2 殼體上允許開的最大孔直徑 dmax.5 1.6 等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法.6 1.6.1 各國壓力容器規(guī)范主要采用的準(zhǔn)則(補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則的種類).6 1.6.2 等面積補(bǔ)強(qiáng)的原則.6 1.6.3 等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法.6 2 工藝設(shè)計(jì).8 2.1 設(shè)計(jì)要求.8 2.2 連續(xù)釜式反應(yīng)器工藝設(shè)計(jì).8 2.2.1 單段連續(xù)釜式反應(yīng)器.8 2.2.2 反應(yīng)器直徑和高度的計(jì)算.9 3 機(jī)械設(shè)計(jì).9 3.1 手孔的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算.9 3

3、.1.1 計(jì)算是否需要補(bǔ)強(qiáng).10 3.1.2 計(jì)算開孔失去的面積 A.10 3.1.3 計(jì)算有效補(bǔ)強(qiáng)面積 A0.11 3.2 進(jìn)料口的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算.11 3.2.1 計(jì)算是否需要補(bǔ)強(qiáng).11 4 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)圖.12 5 總結(jié).13 6 參考文獻(xiàn).13 僅供借鑒# 1 前言前言及概念及概念 在日常的壓力容器設(shè)計(jì)工作中，經(jīng)常會(huì)遇到壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)問題。壓力 容器開孔以后，不僅整體強(qiáng)度受到削弱，而且還因開孔引起的應(yīng)力集中造成開 孔邊緣局部的高應(yīng)力，加上接管上有時(shí)還有其他的外載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力及熱應(yīng) 力，而容器材料、以及開孔結(jié)構(gòu)在制造和焊接過程中又不可避免地會(huì)形成缺陷 和殘余應(yīng)力，開孔和接管附近就成為壓力容

4、器的薄弱部位，于是開孔附近就往 往成為壓力容器的破壞源一一主要是疲勞破壞和脆性裂口。因此，按照GBl50- 1998鋼制壓力容器的規(guī)定，在壓力容器設(shè)計(jì)過程中必須充分考慮開孔的補(bǔ) 強(qiáng)問題。 1.1 開孔補(bǔ)強(qiáng)的適應(yīng)范圍和方法開孔補(bǔ)強(qiáng)的適應(yīng)范圍和方法 (1)當(dāng)其內(nèi)徑Di1500mm時(shí)，開孔最大直徑d12Di，且d520mm；當(dāng)其內(nèi)徑D1500mm時(shí)， 開孔最大直徑dl3Di，且d1000mm； (2)凸形封頭或球殼的開孔最大直徑d12Di； (3)錐殼(或錐形封頭)的開孔最大直徑d13Di，Di為開孔中心處的錐殼內(nèi)直徑； (4)在橢圓形或碟形封頭過渡部分開孔時(shí)，其孔的中心線宜垂直于封頭表面。 1.2

5、 滿足開孔條件時(shí)，可采用的三種補(bǔ)強(qiáng)方法滿足開孔條件時(shí)，可采用的三種補(bǔ)強(qiáng)方法 (1)補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng) 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，有一定的補(bǔ)強(qiáng)效果。但和其它補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)相比，補(bǔ)強(qiáng)區(qū) 較為分散，補(bǔ)強(qiáng)效果不佳，補(bǔ)強(qiáng)后的應(yīng)力集中系數(shù)比較大。由于補(bǔ)強(qiáng)圈并未和殼體、接管 形成整體，所以其抗疲勞性很差，一般常用于靜壓、常溫下的中低壓容器。對于缺口敏感 性較高的低合金高強(qiáng)度鋼制容器，采用此種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí)尤需慎重，高溫、高壓或承受變載 荷的容器，則不宜采用此種補(bǔ)強(qiáng)形式。鑒于補(bǔ)強(qiáng)圈搭接結(jié)構(gòu)會(huì)引起較大的局部應(yīng)力，且高 強(qiáng)度鋼的淬硬性強(qiáng)，易產(chǎn)生焊接裂紋，故在超出GBl501998對其適用條件范圍時(shí)，宜采用 整鍛件補(bǔ)強(qiáng)或整體加厚

6、殼體補(bǔ)強(qiáng)。 (2)整鍛件補(bǔ)強(qiáng)(包括用全焊透焊縫連接的厚壁管補(bǔ)強(qiáng)) 采用整鍛件補(bǔ)強(qiáng)，所有補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域集中在應(yīng)力集中區(qū)，能有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)，故補(bǔ) 強(qiáng)效果好。由于補(bǔ)強(qiáng)件和殼體、接管之間的焊接采用對接焊縫，焊接質(zhì)量可保證，并使焊 縫及熱影響區(qū)離開最大應(yīng)力點(diǎn)的位置，故抗疲勞性能好。常用于o S500MPa的容器開孔及 在低溫、高溫或受交變載荷的大直徑容器開孔。缺點(diǎn)是鍛件供應(yīng)困難，制造繁瑣，成本較 高，只在重要的設(shè)備中使用。采用厚壁管補(bǔ)強(qiáng)，接管的加厚部分處于最大的應(yīng)為區(qū)域內(nèi)， 比補(bǔ)強(qiáng)圈更能有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)。這種形式結(jié)構(gòu)簡單，制造與檢驗(yàn)都很方便，但必 須保證全焊透焊接。對于低合金高強(qiáng)度鋼，由于它比一

7、般低碳鋼有較高的缺口敏感性，所 以一般都采用厚壁管補(bǔ)強(qiáng)型式。 (3)整體加厚殼體補(bǔ)強(qiáng) 僅供借鑒# 整體加厚殼體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)是以增加整個(gè)簡體或封頭的壁厚來降低開孔附近的應(yīng)力，其開孔 補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算可按等面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)分析，開孔后的應(yīng)力集中現(xiàn)象有明 顯的局部性。當(dāng)簡體上開設(shè)排孔或封頭上開孔較多時(shí)，一般采用整體加厚殼體補(bǔ)強(qiáng)。 1.3 開孔補(bǔ)強(qiáng)的目的開孔補(bǔ)強(qiáng)的目的 降低開孔接管處的應(yīng)力峰值 因?yàn)槿萜鞯膹?qiáng)度條件 t max ,所以應(yīng)力峰值降低,設(shè)計(jì)時(shí) t 降低, n 降 低. c t ic p Dp 2 1.4 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)(補(bǔ)強(qiáng)元件類型補(bǔ)強(qiáng)元件類型) 1.4.1 加強(qiáng)管補(bǔ)強(qiáng)加強(qiáng)管補(bǔ)強(qiáng) (

8、1)結(jié)構(gòu)：如下圖 1 即在開孔處焊接一段加厚的接管 (2)特點(diǎn):環(huán)焊縫少.易探傷,結(jié)構(gòu)簡單 (3)適用范圍:低合金鋼,高壓設(shè)備 1.4.2 整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)整體鍛件補(bǔ)強(qiáng) (1)結(jié)構(gòu):如下圖 2 (2)特點(diǎn): 優(yōu)點(diǎn): 對焊,易探傷 抗疲勞性能好 缺點(diǎn): 成本高,加工難 (3)適用范圍:高壓 重要設(shè)備 1.4.3 加強(qiáng)圈的補(bǔ)強(qiáng)加強(qiáng)圈的補(bǔ)強(qiáng) 結(jié)構(gòu): 如下圖 3 特點(diǎn): 僅供借鑒# 優(yōu)點(diǎn):簡單,易加工,使用經(jīng)驗(yàn)豐富 缺點(diǎn):抗疲勞性能差,熱應(yīng)力大,K 大 . 適用范圍: 38 5 . 1 540 u n s MPa 補(bǔ) 1.5 殼體開孔的有關(guān)規(guī)定殼體開孔的有關(guān)規(guī)定 1.5.1 允許不補(bǔ)強(qiáng)時(shí)開的最大孔直徑允許

9、不補(bǔ)強(qiáng)時(shí)開的最大孔直徑 Pc2.5MPa 開孔中心距 A=兩孔直徑和的 2 倍. )(2 21 A 接管外徑 d089mm 接管最小壁厚min 滿足表內(nèi)要求. 1.5.2 殼體上允許開的最大孔直徑殼體上允許開的最大孔直徑 dmax (1) 圓筒 mm D dD mm D dD i i i i 1000 3 1500 520 2 1500 max max 且時(shí)， 且時(shí)， (2) 凸形封頭與球殼的 2 max i D d (3) 錐殼或錐形封頭的 3 max i D d (Di為開孔中心處的錐殼內(nèi)徑) 注:橢圓,碟形過度段部分開孔時(shí),孔中心線垂直于封頭表面. 僅供借鑒# 1.6 等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法

10、等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法 1.6.1 各國壓力容器規(guī)范主要采用的準(zhǔn)則各國壓力容器規(guī)范主要采用的準(zhǔn)則(補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則的補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則的 種類種類) 因?yàn)檠a(bǔ)強(qiáng)的目的是降低開孔接管處的應(yīng)力值,對這個(gè)應(yīng)力值限制在什么范圍內(nèi),就出現(xiàn)了 各種補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則. (1) 等面積補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則 (2) 極限分析法 (3) 安定性理論 (4) 其它方法: 實(shí)驗(yàn)屈服法、實(shí)驗(yàn)應(yīng)力法等 1.6.2 等面積補(bǔ)強(qiáng)的原則等面積補(bǔ)強(qiáng)的原則 在補(bǔ)強(qiáng)區(qū)(在鄰近開孔處附近處)所加補(bǔ)強(qiáng)材料的截面積 A0應(yīng)與開孔而失去的截面積 A 相等.即 A0=A 其含義:在于補(bǔ)強(qiáng)殼壁的平均強(qiáng)度,用開孔等面積的外加金屬來補(bǔ)強(qiáng)被削弱的殼壁強(qiáng)度. 1.6.3 等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法等面積

11、補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法 (1)判斷是否要補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算 滿足不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑的條件者,不補(bǔ)強(qiáng) (2)計(jì)算開孔失去的面積 A. （3）確定補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的有效范圍 有效寬度 B 取大值 ntn dB dB 22 2 有效高度h取小值 外伸長度 d h nt 1 ，. 內(nèi)伸長度 nt d h 2 僅供借鑒# （4）計(jì)算有效補(bǔ)強(qiáng)面積 0 A 43210 AAAAA 1 A 殼體承受內(nèi)壓或外壓所需設(shè)計(jì)厚度之外的的多余金屬面積 )1)()(2)( 1rente fcdBA）（ 2 A 接管承受內(nèi)壓或外壓所需的設(shè)計(jì)厚度 d 之外的多余金屬面積 rntrdnt fcchfchA)(2)(2 2212 其中 )( de 計(jì)算

12、設(shè)計(jì)厚度 c 厚度附加量 21 ccc r f 強(qiáng)度削弱系數(shù) 3 A 補(bǔ)強(qiáng)區(qū)焊縫面積 2) 2 1 ( 3 高底A 4 A 補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)另加的補(bǔ)強(qiáng)面積（加強(qiáng)圈面積） （5）判斷 當(dāng) AAAAA 3210時(shí)， 不用補(bǔ)強(qiáng)。 當(dāng) AAAAA 3210時(shí)，需補(bǔ)強(qiáng)。 （6）補(bǔ)強(qiáng)圈面積 4 A 的計(jì)算 當(dāng) 殼補(bǔ) ， )( 3214 AAAAA 當(dāng) 殼補(bǔ) ， 04 AAA 當(dāng) 殼補(bǔ) ， )( 14 AAA 殼 補(bǔ) （7）補(bǔ)強(qiáng)圈的設(shè)計(jì) 僅供借鑒# 補(bǔ)強(qiáng)圈的外徑 BD有效寬度 如 308B 則可知: 補(bǔ)強(qiáng)圈 300 0 D 厚度 n dD A 5 . 1 )( 4 若 n 5 . 1 ， 采用補(bǔ)強(qiáng)圈不合適，該用其他

13、方法補(bǔ)強(qiáng)。 2 工藝設(shè)計(jì)工藝設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)壓力體內(nèi)：體內(nèi)：4MP夾套：夾套：2.5MP 設(shè)計(jì)溫度體內(nèi)：=兩孔直徑和的 2 倍. )(2 21 A 接管外徑 d089mm 接管最小壁厚min 滿足表內(nèi)要求. 3.1.1 計(jì)算是否需要補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算是否需要補(bǔ)強(qiáng) 已知Pc=P=4Mpa2.5Mp，Di=1400mm，查GBl50表4一l得 t =133MPa，按開孔可 能通過焊接接頭考慮取=O85，把數(shù)據(jù)代人上式得： =Pc*Di(2 t -Pc)=41400(2133 * 085-4)=25.3mm 取C=Cl+C2=0+1=10,式中C為厚度附加量，mm Cl為鋼板或鋼管

14、的厚度負(fù)偏差，mm C2為腐蝕裕度，mm 按照GBl5l一1999反應(yīng)釜中規(guī)定的筒體的最小厚度確定該筒體壁厚為： d =min+C1=6+0=6.0mm 考慮腐蝕裕度圓整為 n =7mm 其中， n 為殼體開孔處的名義厚度，mm。 僅供借鑒# 因?yàn)?n C=71.0=6.0mm 2=225.3=50.6mm 所以 n -C=兩孔直徑和的 2 倍. )(2 21 A 由手孔開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算步驟得: 已知Pc=P=4Mpa2.5Mp，d=300mm，查GBl50表4一l得 t =264MPa，按開孔可能 通過焊接接頭考慮取=125，把數(shù)據(jù)代人上式得： 僅供借鑒# =Pc*Di(2 t -Pc)=430

15、0(2264 * 125-4)=1.83mm 取C=Cl+C2=0+1=10,式中C為厚度附加量，mm Cl為鋼板或鋼管的厚度負(fù)偏差，mm C2為腐蝕裕度，mm 按照GBl5l一1999反應(yīng)釜中規(guī)定的筒體的最小厚度確定該筒體壁厚為： d =min+C1=6+0=6.0mm 考慮腐蝕裕度圓整為 n =7mm 其中， n 為殼體開孔處的名義厚度，mm。 因?yàn)?n C=71.0=6.0mm 2=21.83=3.66mm 所以 n -C 2，不需要進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng) 4 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)圖補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)圖 圖 1 加強(qiáng)管補(bǔ)強(qiáng) 僅供借鑒# 圖 2 整體鍛件補(bǔ)強(qiáng) 圖 3 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng) 5 總結(jié)總結(jié) 為滿足各種工藝和結(jié)構(gòu)上的要求，在高壓容器上一般都需要開孔和安裝接管。 所以針對不同的設(shè)備就需要不同的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法，主要有等面積補(bǔ)強(qiáng)法、 彈性應(yīng)力分析法、極限分析法、PVRC 法、實(shí)驗(yàn)屈服法和壓力面積法。但無論使 用哪種設(shè)計(jì)方法，都要遵循以上開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。當(dāng)開孔率超出 GB150 的 規(guī)定范圍時(shí)，應(yīng)采用應(yīng)力分析方法或有成功使用經(jīng)驗(yàn)的對比試驗(yàn)設(shè)計(jì)。 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是為降低應(yīng)力集中系數(shù),而作的計(jì)算與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，所以在做開孔補(bǔ)強(qiáng)的機(jī) 械設(shè)計(jì)時(shí)，首先要根據(jù)容器開孔位置開孔最大直徑確定是否需要開孔補(bǔ)強(qiáng)，若不需要?jiǎng)t不 必補(bǔ)強(qiáng)