1、第十二章壓力容器開孔與接管一 . 重點(diǎn)1. 殼體開孔的壓力特點(diǎn)2. 開孔接管的應(yīng)力集中系數(shù)的定義3. 開孔補(bǔ)強(qiáng)的目的4. 開孔補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)及方法5. 等面積補(bǔ)強(qiáng)的原則6. 等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算面積有哪些 ?二 . 殼體上開孔的原因三 . 殼體上開孔后產(chǎn)生的問題1. 開孔后 ,造成殼壁不連續(xù) ,在孔邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中2. 接管后 ,殼體與管的結(jié)構(gòu)不連續(xù) ,產(chǎn)生的附加彎應(yīng)力3. 殼體接管的拐角處 ,由于 r 引起的局部應(yīng)力 .結(jié)果 : 使孔附近的應(yīng)力比薄膜應(yīng)力大5-6 倍 ,產(chǎn)生疲勞破壞和脆裂12.1 容器殼體開孔時(shí)的應(yīng)力分析一 .平板開小圓孔的應(yīng)力分析分析條件 : 板長(zhǎng) ,寬 孔徑 2a 載荷 q/作用于

2、板上1. 單向拉伸時(shí)的應(yīng)力分析(1) 孔區(qū)附近的應(yīng)力解(12-1) 式利用彈性力學(xué)理論解知(2) 孔邊緣處的應(yīng)力特點(diǎn): r=a 時(shí) 孔邊緣處的應(yīng)力rr00q(12 cos2 )r=a 時(shí) 孔邊緣處的周向應(yīng)力分布特點(diǎn):當(dāng)0、 時(shí)，平行于 q方向的q當(dāng)時(shí)，垂直于 q方向的3q2ra 時(shí)隨 r 的增大而迅速減小. 由 (12-1) 式可知 .2. 雙向拉伸時(shí)的應(yīng)力分析 :二 .薄球殼開小孔的應(yīng)力分析球半徑 R較大1.分析對(duì)象 :較小在開孔區(qū)域的殼近似板Dq1q2q2.孔區(qū)附近的應(yīng)力解利用 q1 q2q 代入 (12-4) 可知 (12-5), 即rq 1a 2r2q 1a 2r2r03. 孔邊緣處的

3、應(yīng)力特點(diǎn):當(dāng) r=a 時(shí) ,孔邊緣應(yīng)力r00r2qmax孔邊緣應(yīng)力=孔區(qū)域薄膜應(yīng)力q 的 2 倍 .四 . 圓筒殼開小孔1.分析對(duì)象 :k 較大 ,/ D 較小 ,q1 2q2 (2)2.應(yīng)力解 :利用 q12q2 代入 (12-4) 可知 (12-6)3.孔邊緣處的應(yīng)力特點(diǎn): (1) 當(dāng) r=a 時(shí)r0r0q2 (3 2cos 2)當(dāng)、 時(shí)，(2)在孔邊緣 r=a 處的分布規(guī)律 :0當(dāng)時(shí)，2說明 :max 比孔口區(qū)域筒殼中大 2.5 倍.( q21 q11)22五 . 平板開橢圓孔的應(yīng)力分析1.單方向受拉伸時(shí)的應(yīng)力分析minq2maxq2(1)長(zhǎng)軸平行于受拉方向時(shí):孔口處r=a 時(shí)的應(yīng)力解

4、(12-8)rr0由于其應(yīng)力表達(dá)式較復(fù)雜,僅給出最重要的孔口應(yīng)力表達(dá)式,即(128)特點(diǎn) : 孔口處的分布規(guī)律 :當(dāng) 0、 時(shí)，在長(zhǎng)軸兩端當(dāng)時(shí)，在短軸的兩端2(2) 長(zhǎng)軸 a 垂直于受拉方向時(shí)孔口處的應(yīng)力解 (12-9)minq1maxq1 (12b )a孔口處的分布規(guī)律當(dāng) 0、 時(shí)，在長(zhǎng)軸兩端：當(dāng) 時(shí)，在短軸兩端：2maxq2 (12a) :bminq22.雙向受拉伸時(shí)的應(yīng)力分析q2 2q1(1) 孔口處的應(yīng)力解 :由(12-8) 與 (12-9) 疊加即知 (12-10)(2) 孔口邊緣處的分布規(guī)律 (特點(diǎn) )由(12-10) 可知 : 在長(zhǎng)軸的兩端m a xq2 (12a )q1(0.5

5、2a ) q2bb在短軸的兩端minq1 (12b)q2a說明 :開橢圓孔時(shí) ,最大應(yīng)力在孔邊緣0、處 (在長(zhǎng)軸兩端 ) 12.2 開孔接管處應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算一 .開孔接管時(shí)的應(yīng)力集中1.殼體上開孔與平板開小孔有以下差別:(1) 開孔不是小孔 . 如 :人手孔 .故開小孔的假設(shè)不成立其理論不能運(yùn)用.(2) 容器殼體是曲面 ,與平板不同 . 因?yàn)樵陂_孔處由于曲面的影響 ,殼體存在彎曲應(yīng)力(3) 容器開孔接管后 ,接管對(duì)開孔邊緣有約束作用 .而平板開小孔理論 ,沒有考慮接管約束問題 ,所以對(duì)開孔接管問題 ,必須尋求新的分析方法.2.接管區(qū)的應(yīng)力分析(1) 利用 ”力法 ”可求出該區(qū)域的應(yīng)力分布情

6、況和應(yīng)力值“力法 ”:根據(jù)平衡 ,幾何和物理方程(2) 根據(jù)理論計(jì)算和實(shí)際結(jié)果 ,查接管區(qū)的應(yīng)力分布圖 12-7二開孔接管處的應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算1.應(yīng)力集中系數(shù)K 的概念 : (1)作用 : 求接管處的最大應(yīng)力峰值max如:球殼：maxK筒殼：設(shè)備實(shí)際最大應(yīng)力(2)定義 :K殼體基本薄膜應(yīng)力KpDimax4 npDimaxK4 n2. K 的確定方法(1)應(yīng)力指數(shù)法 K 的大小 : 查表 12-1 :適用條件 P235 (1)-(4)注 :徑向接管 :接管軸線與殼體半徑同一方向非徑向接管 : 軸線與殼體半徑不同方向(2)應(yīng)力集中系數(shù)曲線: 曲線形成 : 由理論與實(shí)踐綜合繪出適用條件 : 不能用指

7、數(shù)法時(shí)采用曲線種類 : 圖 12-12 球殼平齊圖 12-13 球殼 內(nèi)入圖 12-14 圓殼 平齊0.01rR0.4曲線適用條件 :R15030n當(dāng) R150 時(shí),殼體很薄 ,則 K 取的比曲線值大些 .n因?yàn)殚_孔造成彎曲應(yīng)力效應(yīng)大.3. 應(yīng)力集中系數(shù)曲線的推廣應(yīng)用(1) 可用于補(bǔ)強(qiáng)殼體注意 : 利用曲線查 K 時(shí) ,將nt改用ntnnnt 為接管厚度 , n t為加強(qiáng)后的厚度將開孔系數(shù)中的 n 改用n 查 n下的 K 值(2) 橢圓封頭上開孔的 K.不同點(diǎn) :當(dāng)量半徑R=K 1Ri其中 :R 是封頭的當(dāng)量半徑; K 1 是修正系數(shù) ,與 a/b 有關(guān) ,查表 12-2, R i 是封頭內(nèi)半

8、徑 .12.3 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一.開孔補(bǔ)強(qiáng)的概念1.開孔補(bǔ)強(qiáng)的目的:降低開孔接管處的應(yīng)力峰值.t, 所 以 應(yīng) 力 峰 值 降 低 , 設(shè) 計(jì) 時(shí)tn 降 低 .因 為 容 器 的 強(qiáng) 度 條 件 max降 低 ,pc Dit2pc2.開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的定義: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)二 .補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu) ( 補(bǔ)強(qiáng)元件類型 )1.加強(qiáng)管補(bǔ)強(qiáng)(1)結(jié)構(gòu)圖 12-15.(d),(f)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(jiǎn)單(3)適用范圍 :低合金鋼 ,高壓設(shè)備2.整體鍛件補(bǔ)強(qiáng) : (1) 結(jié)構(gòu) :圖 12-15 (g),(h),(i)(2) 特點(diǎn) : 優(yōu) : 對(duì)焊

9、 ,易探傷抗疲勞性能好缺 : 成本高 ,加工難(3) 適用范圍 :高壓 重要設(shè)備(3) 加強(qiáng)圈的補(bǔ)強(qiáng) : 結(jié)構(gòu) : 圖 12-15. (a),(b),(c)特點(diǎn) : 優(yōu) :簡(jiǎn)單 ,易加工 ,使用經(jīng)驗(yàn)豐富缺 :抗疲勞性能差 ,熱應(yīng)力大 ,K 大s 540MPa.適用范圍 : P241補(bǔ)1.5 nu 38三: 殼體開孔的有關(guān)規(guī)定1.允許不補(bǔ)強(qiáng)時(shí)開的最大孔直徑P242.(1)-(4) Pc 2.5MPa開孔中心距A= 兩孔直徑和的2 倍 .A2( 12 )接管外徑d0=89mm接管最小壁厚min 滿足表內(nèi)要求.2. 殼體上允許開的最大孔直徑dmax, P242.(1)-(3)(1) 圓筒 D i時(shí)，

10、d maxD i 且520 m m15002D i時(shí)，d maxD i 且1000m m15003(2)凸形封頭與球殼的dmaxDi2(3)錐殼或錐形封頭的dmaxDi (D i 為開孔中心處的錐殼內(nèi)徑 )3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 .四 .等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法1.各國(guó)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)因?yàn)檠a(bǔ)強(qiáng)的目的是降低開孔接管處的應(yīng)力值,對(duì)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2 常用的開孔補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則- 等面積補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則3 等面積補(bǔ)強(qiáng)的

11、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A 0 應(yīng)與開孔而失去的截面積A 相等 .即 A 0=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.4.等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法. P243(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 B2d取大值Bd2 n2 nt有效高度 hh1nt dh2dnt取小值外伸長(zhǎng) 度內(nèi) 伸長(zhǎng)度（ 4）計(jì)算有效補(bǔ)強(qiáng)面積A0A0A1A2A3A4A1 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A1（B d）( e) 2(ntc)( e)(1 f r )A2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A22h1 ( ntd c) f r2h2 ( ntc c2 ) f r其中e ( d ) 計(jì)算設(shè)計(jì)厚度c厚度附加量cc1c2f r強(qiáng)度削弱系數(shù)A3 補(bǔ)強(qiáng)區(qū)焊縫面積A3( 1底 高) 22A4 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) A0A1A2A3A 時(shí)， 不用補(bǔ)強(qiáng)。當(dāng)