1、第 13 章 壓力容器的開孔與補強本章重點內(nèi)容及對學(xué)生的要求：（ 1） 回轉(zhuǎn)殼體上開小孔造成的應(yīng)力集中；（ 2） 開孔補強的原則、補強結(jié)構(gòu)和補強計算；（ 3） 不另行補強的要求；（ 4） GB150-98 對容器開孔及補強的有關(guān)規(guī)定。第一節(jié)容器開孔附近的應(yīng)力集中1、 相關(guān)概念（ 1）容器開孔應(yīng)力集中（ Opening and stress concentration）在壓力容器或設(shè)備上開孔是化工過程操作所決定的，由于工藝或者結(jié)構(gòu)的需要， 容器上經(jīng)常需要開孔并安裝接管，例如：人孔、手孔、進料與出料口等等。容器開孔接管后在應(yīng)力分布與強度方面會帶來下列影響：開孔破壞了原有的應(yīng)力分布并引起應(yīng)力集中。接

2、管處容器殼體與接管形成結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力。殼體與接管連接的拐角處因不等截面過渡而引起應(yīng)力集中。上述三種因素均使開孔或開孔接管部位的引力比殼體中的膜應(yīng)力大， 統(tǒng)稱為開孔或接管部位的應(yīng)力集中。（ 2）應(yīng)力集中系數(shù)（ stress concentration factor ）常用應(yīng)力集中系數(shù)Kt 來描述開孔接管處的力學(xué)特性。若未開孔時的名義應(yīng)力為，開孔后按彈性方法計算出的最大應(yīng)力為max，則彈性應(yīng)力集中系數(shù)為：K tmax（ 1）壓力容器設(shè)計中對于開孔問題研究的兩大方向是：研究開孔應(yīng)力集中程度，估算K t 值；在強度上如何使因開孔受到的削弱得到合理的補強。2、平板開小孔的應(yīng)力集中Fig. 1 Varia

3、tion in stress in a plate containing a circular hole and subjected to uniform tension1 / 8設(shè)有一個尺寸很大的巨型薄平板，開有一個圓孔， 其小圓孔的應(yīng)力集中問題可以利用彈性力學(xué)的方法進行求解。承受單向拉伸應(yīng)力開小圓孔的應(yīng)力集中如圖1 所示，只要板寬在孔徑的 5 倍以上，孔附近的應(yīng)力分量為：r1a 214a 23a 2 cos22r 22r 2r 41a 213a 2cos2（2）2r 22r 42a 23a2sin 2r21r 4r 2平板開孔的最大應(yīng)力在孔邊2處，孔邊沿 ra處：r0,max32應(yīng)力集中系

4、數(shù)： K tmax3.03、薄壁球殼開小圓孔的應(yīng)力集中如圖 2 所示，球殼受雙向均勻拉伸應(yīng)力作用時，孔邊附近任意點的受力為：Fig. 2 Variation in stress in a sphere shell containing a circular hole孔邊處 r=a， max 2, 應(yīng)力集中系數(shù) K tmax2.04、薄壁圓柱開小圓孔的應(yīng)力集中pDpD如圖 3 所示，薄壁柱殼兩向薄膜應(yīng)力1，2，如果開有小圓孔，則孔242 / 8邊附近任意點的受力為：a2324a 23a 2r21r22121r 2r 4cos231a 21 13a 2cos2（3）4r 24r 4r112a 23

5、a 2sin 24r 2r 4Fig. 3 Variation in stress in a cylindrical shell containing a circular hole孔邊處 r=a, r =0,=( 3-con2 )1 , r =0。但是在孔邊=處最大，孔邊處徑22r=a, 處的最大應(yīng)向截面處的應(yīng)力集中系數(shù)K t 2.5。而在另一個截面，即軸向截面的孔邊力 =0.5 1 ，此處應(yīng)力系數(shù) K t0.5，比徑向截面的應(yīng)力集中系數(shù)小得多。其他情況， 例如開橢圓孔以及排孔等情況詳見國標規(guī)定。針對開孔部位的殼體或者封頭壁厚為 ，直徑為 D，開孔的孔徑為 d 時，在接管根部開孔邊緣處的應(yīng)力

6、集中現(xiàn)象呈現(xiàn)如下的特點：? 最大應(yīng)力在孔邊，是應(yīng)力集中最嚴重的地方；? 應(yīng)力集中具有局部性，其范圍也是極為有限的；?應(yīng)力集中的情況和開孔的孔徑與直徑的相對尺寸d/D 成正比，開孔不宜過大；? 應(yīng)力集中和 / D 成反比；所以增大開孔四周殼體的壁厚，則可以極大改善應(yīng)力集中的情況，因此在開孔周圍一定的范圍內(nèi)，采用焊接補強圈的方法。?球殼上開孔的應(yīng)力集中系數(shù)稍低于通體上開孔的應(yīng)力集中系數(shù)；因此在可能的情況下，在封頭上開孔，優(yōu)于在殼體上開孔。5、應(yīng)力集中對容器安全的影響?接管和殼體均為具有良好塑性的材料制成， 如果容器內(nèi)介質(zhì)壓力平穩(wěn)， 對容器的安全使用不會有太大的影響；? 如果容器內(nèi)有較大的壓力波動，

7、 則應(yīng)力集中區(qū)的金屬在交變的高應(yīng)力作用下會出現(xiàn)反復(fù)的塑性變形，導(dǎo)致材料硬化，并產(chǎn)生疲勞破壞。應(yīng)力集中是產(chǎn)生疲勞破壞的根源。6、開孔并帶有接管時的應(yīng)力集中系數(shù)3 / 8以上討論的是僅在殼體上開孔，但是在實際中通常是還在開孔處有接管，開孔處因為接管與殼體在內(nèi)壓作用下發(fā)生變形協(xié)調(diào)而導(dǎo)致不連續(xù)應(yīng)力出現(xiàn)。 例如球殼與圓管的連接如下圖所示。因此接管對開孔邊緣處的應(yīng)力集中影響也需要考慮。Fig. 4 Deformation and internal forces in the opening of sphere shell應(yīng)力集中系數(shù)曲線：為了便于設(shè)計、 對不同直徑的和不同厚度的殼，帶有不同直徑與接管，按理

8、論計算得到的應(yīng)力集中系數(shù)繪制成一組組曲線。應(yīng)力集中系數(shù)曲線圖繪制根據(jù)：殼體的直徑，殼體厚度；接管的直徑，接管厚度；接管形式的平齊接管，插入接管,的不同而繪制。第二節(jié)容器的開孔補強開孔部分的應(yīng)力集中將引起殼體局部的強度削弱， 若開孔很小并有接管， 且接管又能使強度的削弱得以補償，則不需另行補強。若開孔較大，就要采取適當?shù)难a強措施。一般容器只要通過補強將應(yīng)力集中系數(shù)降低到一定的范圍即可。按 “疲勞設(shè)計 ”的容器必須嚴格限制開孔接管部位的最大應(yīng)力。經(jīng)過補強后的接管區(qū)可以使應(yīng)力集中系數(shù)降低，但不能消除應(yīng)力集中。1、開孔補強的基本原則當在容器開孔后， 由于各種強度富余量的存在， 開孔并非都要補強。 而在

9、孔周圍不需要進行補強的規(guī)定，稱為開孔補強設(shè)計的基本原則。（ 1）允許不補強開孔的原因應(yīng)力集中的局部性原因，根據(jù)應(yīng)力集中的局部性特征，開孔附近的峰值應(yīng)力，不會產(chǎn)生殼體的整體屈服；當應(yīng)力集中系數(shù)小于時，開孔附近除疲勞斷裂外，不產(chǎn)生一般的強度破壞；容器有效壁厚，是在計算壁厚值加上壁厚附加量，按商品鋼板系列的圓整值。一般大于強度值的要求，從整體上得到了加強。在壁厚計算公式中，焊縫系數(shù)一般小于 1， 在規(guī)定中，明確指出，開孔不允許在焊縫影響區(qū)內(nèi)，則認為開孔區(qū)的強度承載能力高于焊縫區(qū)。（ 2）允許不另行補強的最大開孔直徑a.不另行補強的最大孔徑為dm0.14Dm4 / 8b.當兩孔中心之間的間距大與兩孔直

10、徑之和的兩倍時，則每一孔均可視為單個開孔。2、開孔補強形式（1）內(nèi)加強平齊接管：將補強金屬加在接管或殼體的內(nèi)側(cè)。rr補強補強（2）外加強平齊接管：將補強金屬加在接管和殼體的外側(cè)補強rr補強（3）凸出接管對稱加強：采用突出接管，接管的內(nèi)伸端與外伸端同時加強形式補強補強補強只加強接管只加強殼體同時加強殼體與接管（ 4）密集補強形式：補強金屬集中在接管與殼體的連接處（ c）凸出接管對稱加強St0St0St0補強補強r 4r 3補強SSr4S000r ir i（d）密集補強5 / 8開孔補強形式以上四類補強形式， 從補強的效果， 即補強所附加金屬起到的實際作用， 實踐證明了密集補強效果最好。對稱凸出接

11、管列第二，外加強最差。3、補強結(jié)構(gòu)（ 1）貼板補強結(jié)構(gòu)貼板補強結(jié)構(gòu)是在開孔周圍貼焊一個補強圈，補強圈的材料和厚度一般與殼體相同。（ a）需要保證補強圈與殼體全面貼合；(b) 需要保證焊縫的全焊透結(jié)構(gòu)；(c) 在補強圈上開有 M10 的通孔，以充氣檢驗其焊透性；（ d）常用場合：中低壓容器。abc（ 2）接管補強結(jié)構(gòu)：即在開孔處焊接一段加厚的接管，加厚接管處于最大應(yīng)力區(qū)，故能有效的降低應(yīng)力集中系數(shù)。（ a）優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，焊縫小，容易對焊縫質(zhì)量進行檢驗(b) 缺點：焊縫處在最大應(yīng)力區(qū)內(nèi)；(c) 當用于重要設(shè)備時，應(yīng)保證焊縫的全焊透性。焊縫磨平，進行無損探傷。（ d）常用場合：低合金鋼容器或某些高

12、壓容器。def（3）整鍛件補強結(jié)構(gòu)：將接管于殼體連同加強部分做成一整體鍛件。接管補強（a）優(yōu)點：補強金屬集中于開孔應(yīng)力最大部位，應(yīng)力集中系數(shù)最小。焊縫及熱影響區(qū)離開最大應(yīng)力點位置，抗疲勞性能優(yōu)越。(b) 缺點：鍛件供應(yīng)困難，制造煩瑣，成本較高。（c）常用場合：只用于重要的設(shè)備，如高壓容器，核容器等。ghi補強結(jié)構(gòu)6 / 84、開孔補強的設(shè)計準則（1）等面積補強準則該方法認為在有效的補強范圍內(nèi)，殼體處本身承受內(nèi)壓所需截面積外的多余截面積A 不少于開孔所減少的有效截面積A0 。等面積補強法是世界各國延用已久的一種經(jīng)驗設(shè)計方法。開孔削弱的截面積，指沿殼體縱向截面上的開孔投影面積。式中： d 為開孔直

13、徑或接管內(nèi)徑加上壁后附加量C 后的直徑。T 為殼體按內(nèi)壓或外壓計算所需的計算厚度。Fr 為材料強度削弱系數(shù)，即設(shè)計溫度下接管材料與殼體材料許用應(yīng)力之比，fr1.0有效補強范圍：等面積補強法認為在右圖中的WXYZ的矩形范圍內(nèi)補強是有效的。補強區(qū)內(nèi)補強金屬面積A(a)容器殼體設(shè)計厚度之外的多余金屬截面積： A 1 筒體或封頭， 承受內(nèi)壓或外壓所需的厚度和壁厚附加量之外剩余的金屬面積。7 / 8A1 （ B-d ） (S-C)-So ， C 壁厚附加量式中 Tn， tn 分別為殼體及接管的名義厚度T 為容器殼體的計算厚度C 為接管的壁厚附加量fr 為材料的強度削弱系數(shù)（ b）接管所需計算厚度之外的多

14、余金屬截面積：A2 接管承受內(nèi)壓或外壓所需厚度和壁厚附加量兩者之外多余的金屬面積。A 2 2h1(St-Sto-C)+2h2(St-C1-C2)式中： t為接管按內(nèi)壓或外壓計算所需的計算厚度；C2為接管的腐蝕附加量。（ c）在有效補強區(qū)內(nèi)焊縫金屬的截面積。（ d）在有效補強區(qū)內(nèi)另加的補強元件的截面積。若 A1+A2+A 3 A，開孔不需要補強A1+A2+A3 A，開孔需要補強則 A 4A-(A1+A2+A3)A4 補強金屬截面積。（2）極限分析補強設(shè)計準則由于開孔只造成殼體的局部強度削弱，如果在某一壓力載荷下容器開孔處的某一區(qū)域其整個截面進入塑性狀態(tài)，以至發(fā)生塑性流動，此時的載荷便為極限載荷。利用塑性力學(xué)方法對帶有整體補強的開孔補強結(jié)構(gòu)求解出塑性失效的極限載荷。以極限載荷為依據(jù)來進行補強結(jié)構(gòu)設(shè)計， 即以大量的計算可以定出補強結(jié)構(gòu)的尺寸要求，使其具有相同的應(yīng)力集中系數(shù)。（3）開孔補強的其他問題以上是殼體上單個開孔的等面積補強方法，工程上有時還會碰到并聯(lián)開孔的情況，如果各相鄰孔之間