壓力容器零部件的結(jié)構(gòu)和計(jì)算

1、1,,壓力容器零部件的結(jié)構(gòu)和計(jì)算,2007年7月,武漢工程大學(xué)化工設(shè)備設(shè)計(jì)研究所,2,本次課程主要內(nèi)容,1、壓力容器設(shè)計(jì)方法2、壓力容器失效形式3、強(qiáng)度判據(jù)和強(qiáng)度理論4、圓筒的厚度計(jì)算5、封頭的厚度計(jì)算6、壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì),3,1.壓力容器設(shè)計(jì)方法,,,常規(guī)設(shè)計(jì)： 它以薄膜應(yīng)力分析和彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為基礎(chǔ)進(jìn)行壓力容器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，在開孔接管等局部應(yīng)力較復(fù)雜的部位采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行處理。 只考慮單一載荷，

2、不考慮交變載荷、容器的疲勞壽命。 目前各國壓力容器設(shè)計(jì)中仍大量采用常規(guī)設(shè)計(jì)的方法,,分析設(shè)計(jì)： 必須先進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，即通過解析法或數(shù)值方法，將各種外載荷或變形約束產(chǎn)生的應(yīng)力分別計(jì)算出來，然后進(jìn)行應(yīng)力分類，再按不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來限制，保證容器在使用期內(nèi)不發(fā)生各種形式的失效。 分析設(shè)計(jì)可應(yīng)用于承受各種載荷、任意結(jié)構(gòu)形式的壓力容器設(shè)計(jì)，克服了常規(guī)設(shè)計(jì)的不足,,,,4,2．壓力容器失效形式,,1、失效的概念,壓力容

3、器因機(jī)械載荷或溫度載荷過高而喪失正常工作能力。,2、壓力容器及過程設(shè)備的失效形式,強(qiáng)度失效,剛度失效,失穩(wěn)失效,泄漏失效,5,2．壓力容器失效形式,,1、強(qiáng)度失效,因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，稱為強(qiáng)度失效。容器中某最大應(yīng)力點(diǎn)超過屈服點(diǎn)后就會(huì)出現(xiàn)不可恢復(fù)的變形。隨著載荷的增大，容器的朔性區(qū)不斷擴(kuò)大，當(dāng)載荷大到某一極限時(shí)，朔性區(qū)就會(huì)擴(kuò)展到一定的一定范圍，容器便會(huì)失去了承載能力。,2、剛度失效,由于構(gòu)件過度的彈性變形引起的失效，稱為

4、剛度失效。例如，露天立置的塔在風(fēng)載荷作用下，若發(fā)生過大的彎曲變形，會(huì)破壞塔的正常工作或塔體受到過大的彎曲應(yīng)力。,6,2．壓力容器失效形式,,3、失穩(wěn)失效,在壓應(yīng)力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何形狀引起的失效稱為失穩(wěn)失效,4、腐蝕失效,是指與介質(zhì)接觸的器壁受到腐蝕性介質(zhì)的侵蝕而受到的破壞。,7,3.強(qiáng)度判據(jù)和強(qiáng)度理論,,以殼體主體的基本薄膜應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力值；而對于因總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)的附加應(yīng)力，以應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)的形

5、式引入壁厚計(jì)算公式。,我國壓力容器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB150采用的強(qiáng)度判據(jù)是彈性失效準(zhǔn)則,認(rèn)為容器只有完全處于彈性狀態(tài)時(shí)，才是安全的，一旦結(jié)構(gòu)內(nèi)某點(diǎn)計(jì)算應(yīng)力進(jìn)入朔性范圍，即達(dá)到或超過材料的屈服點(diǎn)，即認(rèn)為容器失效了。,8,3.第一強(qiáng)度理論（最大主應(yīng)力理論）,,材料無論在什么狀態(tài)下，當(dāng)三個(gè)主應(yīng)力中有一個(gè)在簡單拉伸或壓縮時(shí)發(fā)生的破壞的數(shù)值時(shí)，材料便認(rèn)為是已經(jīng)破壞了。,,對于內(nèi)壓薄壁容器的回轉(zhuǎn)殼體，周向應(yīng)力,即為第一主應(yīng)力，經(jīng)向應(yīng)力,為第二主應(yīng)

6、力,經(jīng)向應(yīng)力,另一個(gè)主應(yīng)力是徑向應(yīng)力,9,無力矩理論（薄膜理論）,,假定壁厚與直徑相比很小，認(rèn)為壁厚很薄幾乎像薄膜一樣，只承受拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，不承受彎矩，且認(rèn)為殼體內(nèi)的應(yīng)力沿厚度是均勻分布的。這種器壁應(yīng)力又稱為薄膜應(yīng)力。,,,薄壁殼體在內(nèi)壓作用下必產(chǎn)生應(yīng)力而向外變形，使其曲率半徑增大，故必存在拉伸和彎曲應(yīng)力。在特定條件下，認(rèn)為，彎曲應(yīng)力相對于拉伸應(yīng)力可以忽略，采用這近似方法分析薄壁殼體的理論為無力矩理論。,10,,薄壁圓筒

7、的應(yīng)力,基本假設(shè),殼體材料連續(xù)、均勻、各向同性；受載后的變形是彈性小變形；殼壁各層纖維在變形后互不擠壓。,圖 薄壁圓筒在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力,,典型的薄壁圓筒,,經(jīng)向應(yīng)力或軸向應(yīng)力σφ,周向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力σθ,11,二向應(yīng)力狀態(tài),,薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）,B點(diǎn)受力分析,內(nèi)壓P,,B點(diǎn),,軸向：經(jīng)向應(yīng)力或軸向應(yīng)力σφ,圓周的切線方向：周向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力σθ,壁厚方向：徑向應(yīng)力σr,三向應(yīng)力狀態(tài),,σθ 、σφ ＞＞σr,,,12,,,截面

8、法,圖 薄壁圓筒在壓力作用下的力平衡,,薄殼圓筒的應(yīng)力,軸向外力,軸向內(nèi)力,,13,,軸向平衡,,,=,,,=,,2.2.1 薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）,14,,,截面法,,2.2.1 薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）,作用y截面x方向內(nèi)力,半圓環(huán)上外力,15,,周向平衡,,,,,,,2.2.1 薄殼圓筒的應(yīng)力（續(xù)）,周向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力,經(jīng)向應(yīng)力或軸向應(yīng)力,16,圓筒的厚度計(jì)算,,,容器圓筒承受均勻內(nèi)壓 作用時(shí)，其器壁中產(chǎn)生如下薄膜應(yīng)力(設(shè)圓筒的平均直徑

9、為D,壁厚為 ),第一強(qiáng)度理論,,,17,圓筒的厚度計(jì)算,,,,,,,,,,,圓筒中徑公式適用范圍,K≤1.5，等價(jià)于Pc≤0.4[σ]tφ,18,圓筒的厚度計(jì)算,,,,,,,,,,圓筒中徑公式適用范圍,K≤1.5，等價(jià)于Pc≤0.4[σ]tφ,,,,19,圓筒的設(shè)計(jì),1）應(yīng)力狀況：兩向薄膜應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力為軸向應(yīng)力的兩倍。2）壁厚計(jì)算公式：符號說明見GB 150。稱中徑公式：適用范圍，K≤1.5，等價(jià)于Pc≤0.4[σ]tφ 3

10、）公式來由：內(nèi)壓圓筒壁厚計(jì)算公式是從圓筒與內(nèi)壓的靜力平衡條件得出的。,,20,幾個(gè)厚度之間關(guān)系,,,,,,,,,,1、計(jì)算厚度,,2、設(shè)計(jì)厚度,,,,3、名義厚度,,圓整量，(C1為鋼材厚度負(fù)偏差)。,4、有效厚度,,,,21,例題1,,,,,,,,,例1 一個(gè)內(nèi)壓圓筒，設(shè)計(jì)壓力p＝0.8MPa，設(shè)計(jì)溫度t＝100 ℃，圓筒內(nèi)徑Di＝1000mm，焊縫采用雙面對焊，局部無損探傷；工作介質(zhì)對碳鋼、低合金鋼有輕微腐蝕，腐蝕速率為Ka

11、＜0.1mm／y，設(shè)計(jì)受命B＝20y，試在Q235-B、16MnR兩種材料中選用兩種作筒體材料，并分別確定兩種材料下簡體壁厚各為多少，由計(jì)算結(jié)果討論選擇哪種材料更省料。,22,,,,,,,,解:工作介質(zhì)對碳鋼、低合金鋼有輕微腐蝕,C2=0.1x20=2mm. 焊縫采用雙面對焊，局部無損探傷 Φ=0.85 筒體材料 Q235-B 插GB150 =113MPa 計(jì)算厚度按,設(shè)計(jì)厚度,,鋼材厚度負(fù)偏差,名義厚度,,

12、檢查:,沒變化,故名義厚度,23,,,,,,,,解:工作介質(zhì)對碳鋼、低合金鋼有輕微腐蝕,C2=0.1x20=2mm. 焊縫采用雙面對焊，局部無損探傷 Φ=0.85 筒體材料16MnR 插GB150 =170MPa 計(jì)算厚度按,設(shè)計(jì)厚度,,鋼材厚度負(fù)偏差,名義厚度,,檢查:,沒變化,故名義厚度,結(jié)論:對Q235-B 名義厚度8mm,16MnR名義厚度6mm,從經(jīng)濟(jì)性考慮最終選用Q235-B 為宜.,24,球殼的厚度

13、計(jì)算,,,球形容器的殼體，在承受均勻內(nèi)壓 作用時(shí)，其周向薄膜應(yīng)力與環(huán)向薄膜應(yīng)力相等，即,第一強(qiáng)度理論,,,考慮了容器內(nèi)直徑與平均直徑的關(guān)系和焊接接頭系數(shù)后，球殼的計(jì)算厚度公式為,,25,球殼的厚度計(jì)算,,,,,,,,,,1、球殼中徑公式適用范圍,2、球殼的應(yīng)力校核公式為,,,,,3、圓筒的應(yīng)力校核公式為,當(dāng)內(nèi)壓和內(nèi)直徑相同時(shí)，球殼的壁厚約為圓筒的一半，消耗鋼材最少。另外球形容器占地面積小，其表面積也最小，相應(yīng)帶來的保溫等費(fèi)用也少，因

14、此球形容器在石油、化工、冶金、國防等工業(yè)中得以廣泛應(yīng)用，如用以儲(chǔ)存乙烯、液氫、氧氣、液化石油氣、天然氣等。,26,受壓元件球殼設(shè)計(jì),1）應(yīng)力狀況：各向薄膜應(yīng)力相等2）厚度計(jì)算式：稱中徑公式，適用范圍pc≤0.6[σ]等價(jià)于K≤1.3533）公式來由：同圓筒軸向應(yīng)力作用情況4）計(jì)算應(yīng)力的意義：一次總體、薄膜應(yīng)力（環(huán)向、經(jīng)向）控制值：[σ] 。,27,,,,,,,,例2 一個(gè)內(nèi)壓球殼，設(shè)計(jì)壓力p＝0.86MPa，設(shè)計(jì)溫度t＝7

15、0 ℃，球殼內(nèi)徑Di＝12300mm，焊縫采用雙面對焊，100%無損探傷；C2=1.5mm,球殼材料20R 設(shè)計(jì)球殼厚度.,解:C2=1.5mm.Φ=1.00 筒體材料 20R 插GB150 =13.38MPa 計(jì)算厚度按,設(shè)計(jì)厚度,鋼材厚度負(fù)偏差,名義厚度,檢查:,根據(jù) 檢查許用應(yīng)力,沒變化,故名義厚度,28,封頭的設(shè)計(jì),,,,（a）半球形封頭； （b）碟形封頭；（c）橢圓形封頭；（d）無折邊球形封頭；（e）無折

16、邊錐形封頭； （f）折邊錐形封頭； （g）平板封頭,29,封頭的設(shè)計(jì),,,由于封頭和圓筒形器身相連接，所以不僅需要考慮封頭本身因內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力，還要考慮與筒身連接處的不連續(xù)應(yīng)力。,,1、受均勻內(nèi)壓封頭的強(qiáng)度計(jì)算需要考慮因素,2、受均勻內(nèi)壓封頭的強(qiáng)度計(jì)算需要考慮因素,連接處總應(yīng)力的大小與封頭的幾何形狀和尺寸，封頭與筒身壁厚的比值大小有關(guān)。,30,封頭的設(shè)計(jì),,,,3、封頭設(shè)計(jì)中采用了比較簡單的方法,在導(dǎo)出基本公式時(shí)利用內(nèi)壓薄

17、膜應(yīng)力作為強(qiáng)度判據(jù)中的基本應(yīng)力，而把因不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力增強(qiáng)影響以應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)的形式引入厚度計(jì)算公式。應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)由有力矩理論解析導(dǎo)出，并輔以實(shí)驗(yàn)修正。,31,半球形封頭,,單位容積的表面積最?。辉谥睆?、壁厚和工作壓力相同的情況下，半球形封頭的應(yīng)力最小兩向薄膜應(yīng)力相等，而且是沿經(jīng)線是均勻分布的。如果若厚度取與圓筒一樣大小，則由不連續(xù)分析可知，兩者連接處的最大應(yīng)力比圓筒周向薄膜應(yīng)力大3.1%。缺點(diǎn)是球形封頭深度大，直徑小時(shí)，整體沖

18、壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量亦較大,,1、強(qiáng)度計(jì)算,2、特點(diǎn),強(qiáng)度計(jì)算同內(nèi)壓球殼,,,32,橢圓形封頭,,,1、強(qiáng)度計(jì)算,,,,,K為應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)或形狀系數(shù),33,橢圓形封頭,,受力情況不如球形封頭，比其他封頭受力好。從薄膜應(yīng)力分析，沿經(jīng)線各點(diǎn)的應(yīng)力是變化的，頂點(diǎn)處應(yīng)力最大，在赤道上出現(xiàn)周向壓應(yīng)力。設(shè)置直變邊段的目的是避免在封頭和圓筒形殼體相交的這以結(jié)構(gòu)不連續(xù)處出現(xiàn)焊縫，從而避免焊縫邊緣應(yīng)力的問題。,,2、特點(diǎn),,,34,

19、橢圓形封頭,,經(jīng)向應(yīng)力：最大應(yīng)力在頂點(diǎn)。環(huán)向應(yīng)力：最大拉應(yīng)力在頂點(diǎn)， 最大壓應(yīng)力在底邊,變形特征：趨圓,最大拉應(yīng)力在頂點(diǎn),赤道,,35,橢圓形封頭,K=,36,碟形封頭,,受力、變形特征，應(yīng)力分布，穩(wěn)定，控制條件與橢封相似，,,1、強(qiáng)度計(jì)算,2、理論依據(jù),,,,,M為應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù),,,37,錐形封頭,,,,無折邊錐形封頭和折邊錐形封頭,在導(dǎo)出基本公式時(shí)利用內(nèi)壓薄膜應(yīng)力作為強(qiáng)度判據(jù)中的基本應(yīng)力

20、，而把因不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力增強(qiáng)影響以應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)的形式引入厚度計(jì)算公式。應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)由有力矩理論解析導(dǎo)出，并輔以實(shí)驗(yàn)修正。,38,無折邊錐形封頭,,,,當(dāng)錐殼半頂角 時(shí)，可以采用無折邊結(jié)構(gòu),,,,最大薄膜應(yīng)力發(fā)生在大端,由第一強(qiáng)度理論，并取,，,用,取代，則其計(jì)算厚度表達(dá)式如下,39,無折邊錐形封頭,,,,,橫推力,，,,,非圓滑過渡，產(chǎn)生邊緣剪力和邊緣彎矩,,殼體邊緣中應(yīng)力顯著增大,邊緣處殼體的壁厚能否足夠抵

21、抗該最大應(yīng)力,？,40,無折邊錐形封頭,,,,,，,,不需要加強(qiáng),需要加強(qiáng),Q應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù),41,無折邊錐形封頭,,,,,，,,需要加強(qiáng),Q應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù),,L1=2,,錐殼大端加強(qiáng)段長度的意義是：當(dāng)量圓筒在均布邊界力作用下，圓筒中軸向彎曲應(yīng)力的衰減長度,42,無折邊錐形封頭小結(jié),,,當(dāng)錐殼兩端需要加強(qiáng)時(shí)，加強(qiáng)段的厚度不得小于與之相連的錐殼的厚度。,,,,當(dāng)錐殼半頂角 時(shí)，可以采用無折邊結(jié)構(gòu),與球形、橢圓形、碟形封

22、頭相比，錐殼受力情況最差。,應(yīng)力狀況與圓筒相似，同處的環(huán)向應(yīng)力等于軸向應(yīng)力的兩倍， 但不同直徑處應(yīng)力不同,任何錐殼與圓筒的連接必須采用全焊透結(jié)構(gòu)。,43,錐形封頭,,,,錐體大端過渡區(qū)的壁厚類似碟形封頭的計(jì)算公式,,為了改善錐體與筒體連接處的受力狀況,,,,,—應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)，由,和,角的大小查表3-5決定,,,,44,錐形封頭,,,,與過渡區(qū)相連接處的錐體壁厚按下列計(jì)算,,為了改善錐體與筒體連接處的受力狀況,,,,,,,,,4

23、5,平板封頭,,,,,,,,,,,,,圓平板1)應(yīng)力狀況： 兩向彎曲應(yīng)力，徑向、環(huán)向彎曲應(yīng)力。2)兩種極端邊界支持條件。a.簡支：圓板邊緣的偏轉(zhuǎn)不受約束，σmax 在板中心， 徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力相等。b.固支：圓板邊緣的偏轉(zhuǎn)受絕對約束（等于零），σmax在 板邊緣為徑向應(yīng)力。c.螺栓墊片聯(lián)接的平蓋按筒支圓板處理，σmax在板中心。,46,平板封頭,,,,,,,,

24、,,,,,47,平板封頭,,,,實(shí)際平板封頭與圓筒體相連接，真實(shí)的支承既不是固支也不是簡支。在承受內(nèi)壓時(shí)，危險(xiǎn)應(yīng)力可能出現(xiàn)在平板封頭的中心部分，也可能在圓筒與平封頭的連接部位,,,,,,,,,,,—非圓形平蓋的形狀系數(shù)， 3.4－2.4 ，且 ≤2.5,,,,48,壓力容器開孔及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì),,,,1、容器開孔接管后在應(yīng)力分布與強(qiáng)度方面將的影響,開孔后使承載截面減小，破環(huán)了原有的應(yīng)力分布接管處容器殼體與接管形成不連續(xù)結(jié)

25、構(gòu)而產(chǎn)生邊緣應(yīng)力,2、應(yīng)力集中系數(shù),若未開孔時(shí)的名義應(yīng)力為 ,開孔后按彈性方法計(jì)算出的最大應(yīng)力若為 ，則彈性應(yīng)力集中系數(shù)的定義為,,49,平板開小圓孔的應(yīng)力集中,,,,1、單向拉伸應(yīng)力作用,,,,,,50,平板開小圓孔的應(yīng)力集中,,,,2、兩向拉伸應(yīng)力作用,,,,,,,,,,,，,,,,,51,,,平板開橢圓孔的應(yīng)力集中,1、單向拉伸應(yīng)力作用,,,,,,,,,,,,,52,,,平板開橢圓孔的應(yīng)力集中,2、雙向拉伸應(yīng)力作用,,,,,,,,

26、,,,,當(dāng),相當(dāng)于在球殼上開橢圓孔,,,,,,相當(dāng)于在圓柱殼上開橢圓孔,,,,,橢圓孔的長軸與拉伸應(yīng)力的 方向一致,的方向一致,53,,,平板開橢圓孔的應(yīng)力集中,2、雙向拉伸應(yīng)力作用,,,,,,,,,,,,當(dāng),相當(dāng)于在球殼上開橢圓孔,,,,,,相當(dāng)于在圓柱殼上開橢圓孔,,,,,橢圓孔的長軸與拉伸應(yīng)力的 方向垂直,,,,,,,,,,,54,平板開橢圓孔的應(yīng)力集中,,,,1、幾點(diǎn)結(jié)論,在球殼上開圓孔的應(yīng)力集中系數(shù)（ ）

27、小于開橢圓孔的應(yīng)力集中系數(shù)（ ）,在圓柱殼上開圓孔時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)（ ）,,,,,若要開設(shè)橢圓孔，則應(yīng)使橢圓孔的長軸與殼體軸線垂直此時(shí)（ ）,,55,開孔分析的幾點(diǎn)結(jié)論,,,,1、開孔的應(yīng)力集中區(qū)域?qū)儆诰植繎?yīng)力，衰減 很快，作用范圍在 量級。,,,,,,2、孔邊應(yīng)力最高，故在孔邊補(bǔ)強(qiáng)最有效。,3、球殼上開孔的應(yīng)力集中小于柱殼上的應(yīng)力

28、集中。球殼Kt=2 圓柱殼Kt=2.5,4、在雙向應(yīng)力作用下,圓柱殼開孔邊緣經(jīng)向截面的應(yīng)力集中比周向截面的應(yīng)力集中大得多.,56,壓力容器開孔的強(qiáng)度問題,,,,1、容器開孔對局部薄膜應(yīng)力的影響,在壓力作用下,殼體內(nèi)存在著薄膜應(yīng)力.殼體開孔后使承載截面減小，使該截面的平均應(yīng)力增加,而且在開孔邊緣的應(yīng)力分布極為不均勻,隨著距離增加,應(yīng)力增加逐漸減少.在孔邊緣產(chǎn)生的薄膜應(yīng)力稱為局部薄膜應(yīng)力.,2、局部彎曲應(yīng)力,接管和殼體在應(yīng)力作用下變形不一

29、致,由于變形協(xié)調(diào),在相貫處產(chǎn)生一對剪力和彎矩,從而在殼體開孔邊緣和接管端部的局部彎曲應(yīng)力.,,57,容器開檢查孔的有關(guān)規(guī)定,,,,為檢查壓力容器在使用過程中是否產(chǎn)生裂紋、變形、腐蝕等缺陷，壓力容器應(yīng)開設(shè)檢查孔。檢查孔包括人孔和手孔.手孔應(yīng)開設(shè)在封頭上或封頭附近的筒體上,,58,不需要補(bǔ)強(qiáng)的最大孔徑,,,,1、GBl50《鋼制壓力容器》對不需另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑的最新規(guī)定，當(dāng)殼體開孔滿足下述全部要求時(shí)可允許不需另行補(bǔ)強(qiáng)。,（１）設(shè)計(jì)

30、壓力小于或等于2.5MPa；（2）兩相鄰開孔中心的距離(對曲面間距以弧長計(jì)算)應(yīng)不小于兩孔直徑之和的兩倍；（3）接管公稱外徑小于或等于89mm；（4）接管最小壁厚滿足下表3-9的要求。,,59,適用的開孔范圍,,,,殼體上開孔直徑越大，則開孔系數(shù)ρ越大，應(yīng)力集中系數(shù)也越大。因此，我國GB150《鋼制壓力容器》中對開孔直徑的最大值加以限制。,（1）圓筒開孔的限制，當(dāng)內(nèi)徑Di ≤1500mm時(shí)，開孔最大直徑d≤1/2Di ，且d≤

31、520mm； 當(dāng)內(nèi)徑 >1500mm時(shí)，開孔最大直徑d≤ 1/3Di ，且d≤1000mm。（2）凸形封頭或球殼的開孔最大直徑 d≤ 1/2Di 。（3）錐殼（或錐形封頭）的開孔最大直徑d≤ 1/3Di ， 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,,60,開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,,,,等面積補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則,認(rèn)為在有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，殼體除本身承受內(nèi)壓所需截面積外的多余

32、截面積不應(yīng)少于開孔所減少的有效截面積,,極限分析補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,安定性補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,由于開孔只造成殼體的局部強(qiáng)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(gè)截面進(jìn)人塑性狀態(tài)，以至發(fā)生塑性流動(dòng)，此時(shí)的載荷便為極限載荷。以極限載荷為依據(jù)來進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即以大量的計(jì)算可以定出補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的尺寸要求，使其具有相同的應(yīng)力集中系數(shù)，這就是極限分析補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,61,開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,,,,,安定性補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,它不涉及塑性分析方法而僅用彈性

33、分析方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性應(yīng)力分析，但允許接管部位的應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度，從而局部材料會(huì)進(jìn)入塑性狀態(tài)，但控制該最大彈性虛擬應(yīng)力不得超過一定限度仍可保證安全。用 (英國用 )來限制開孔部位最大應(yīng)力值(按彈性分析得出的)的準(zhǔn)則稱為安定性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,,62,開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則-等面積補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則,,,,在有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，殼體除本身承受內(nèi)壓所需截面積外的多余截面積不應(yīng)少于開孔所減少的有效截面積。,優(yōu)點(diǎn)：在一般情況下可以滿足開孔補(bǔ)強(qiáng)

34、設(shè)計(jì)的需要，方法簡便，且在工程上有很長的使用歷史和經(jīng)驗(yàn)。我國的容器標(biāo)準(zhǔn)主要采用了這一方法。,,缺點(diǎn)：等面積法忽視了開孔處應(yīng)力集中與開孔系數(shù)的影響，例如相同大小的孔，當(dāng)殼體直徑很大時(shí) 較小，造成的強(qiáng)度削弱就少，反之殼體直徑很小時(shí) 很大，造成的削弱也大。因此等面積法有時(shí)顯得富裕，有時(shí)顯得不足。,63,開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu),,,,1、局部補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu),指另外在殼體開孔處的一定范圍內(nèi)增加補(bǔ)強(qiáng)元件或增大殼體壁厚、接管壁厚。 如果將連接處的接管或殼體壁厚適當(dāng)加

35、厚，上述局部地區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)在很大程度上得到緩和，應(yīng)力集中系數(shù)可以控制在所允許的范圍內(nèi)。,2、整體補(bǔ)強(qiáng),用增加整個(gè)殼體壁厚的辦法來降低開孔附近的應(yīng)力；由于開孔應(yīng)力集中的明顯局部性，在不大的范圍以外便恢復(fù)到正常的應(yīng)力值，故除了制造或結(jié)構(gòu)上的需要以外，一般并不需要把整個(gè)容器壁加厚。,,64,壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)的原理,,,,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，易于制造，有一定補(bǔ)償效果，故使用廣泛。但補(bǔ)強(qiáng)圈與殼壁之間存在著一層靜止空氣隙，傳熱效

36、果較差，兩者溫差應(yīng)力較大，在補(bǔ)強(qiáng)的局部地區(qū)容易產(chǎn)生附加溫差應(yīng)力,2、接管補(bǔ)強(qiáng),在開孔處焊上一段加厚的短管。接管的加厚部分，正處于最大應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，故能有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)。,,65,壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)的原理,,,,將接管和殼體連接處及加強(qiáng)部分做成一個(gè)整體鍛件，然后再與接管和殼體焊在一起。其優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)強(qiáng)金屬集中于開孔應(yīng)力最大的部位，應(yīng)力集中系數(shù)最小。并且采用對接焊接接頭，使焊縫及其熱影響區(qū)離開最大應(yīng)力點(diǎn)的位置，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低10

37、％～15％左右。,,3、整鍛件補(bǔ)強(qiáng),66,補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算,,,,圓筒或球殼開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積,,,由于應(yīng)力集中的局部性，等面積補(bǔ)強(qiáng)法認(rèn)為在圖3-17所示的WXYZ的矩形范圍內(nèi)實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)是有效的，超過此范圍實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)是沒有作用的,67,補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算,,,,圓筒或球殼開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積,,,由于應(yīng)力集中的局部性，等面積補(bǔ)強(qiáng)法認(rèn)為在圖3-17所示的WXYZ的矩形范圍內(nèi)實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)是有效的，超過此范圍實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)是沒有作用的,有效寬度

38、B,有效高度H,,,,外側(cè)高度,內(nèi)側(cè)高度,68,補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算,,,,圓筒或球殼開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積,,,在有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)范圍內(nèi)，可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積,,,—?dú)んw有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積,,—接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積,,,,—焊縫金屬的截面積，mm2。可根據(jù)角焊縫的具體尺寸計(jì)算確定,,開孔后不需要另加補(bǔ)強(qiáng) 開孔后需要另加補(bǔ)強(qiáng),,69,補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算,,,,其另加補(bǔ)強(qiáng)面積,,,,,,,,,,開孔后不需要另加

39、補(bǔ)強(qiáng),,開孔后需要另加補(bǔ)強(qiáng),,70,設(shè)計(jì)舉例,,,,,,,,,內(nèi)徑Di＝1800mm的圓柱形容器，采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，在封頭中心設(shè)置Φ159×4.5的內(nèi)平齊接。封頭名義厚度 ＝18mm，設(shè)計(jì)壓力p＝2.5MPa，設(shè)計(jì)溫度t＝150℃，接管外伸高度h1=200mm。封頭和補(bǔ)強(qiáng)圈材料為16MnR，其許用應(yīng)力 =163MPa,接管材料為10號鋼，其許用應(yīng)力 =108MPa。封頭和接管的厚度附加量均取2mm，液體靜壓力可

40、以忽略。試作開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。,,,71,,,,,,,,,,,開孔條件,,不另行補(bǔ)強(qiáng)條件,,否,等面積補(bǔ)強(qiáng)法,,是,1、計(jì)算開孔補(bǔ)強(qiáng)需要的面積A2、確定有效補(bǔ)強(qiáng)面積3、計(jì)算A1、A2、A3,,A1+A2+A3>A,,否,按A-（A1+A2+A3）確定補(bǔ)強(qiáng)面積,72,,,,,,,,,,(1)補(bǔ)強(qiáng)及補(bǔ)強(qiáng)方法判別,①補(bǔ)強(qiáng)判別 根據(jù)表3-9，允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大接管外徑為Φ89mm。此開孔外徑等于159mm，故需考慮其補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

41、 ②補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法判別 開孔直徑,本凸形封頭開孔直徑,,，滿足等面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的適用條件，故可用等面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。,(2) 開孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)截面積,,73,,,,,,,,,,,(2) 開孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)截面積,,①封頭計(jì)算厚度 由于在橢圓形封頭中心區(qū)域開孔，所以封頭的計(jì)算厚度按式(3-62)確定。因?yàn)橐后w靜壓力可以忽略，即,；查表4-1可得，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭,；又因開孔處焊接接頭系數(shù),故封頭計(jì)算厚度,

42、②開孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)截面積,先計(jì)算強(qiáng)度削弱系數(shù),接管有效厚度為,，,即開孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)截面積,74,,,,,,,,,,,（3）補(bǔ)強(qiáng)范圍,,①有效寬度,②有效高度 外側(cè)高度：,內(nèi)側(cè)高度：,,,,75,,,,,,,,,,,（3）補(bǔ)強(qiáng)范圍,,(3) 補(bǔ)強(qiáng)面積①殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積,,,,,②接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積,接管計(jì)算厚度,所以,,,76,,,,,,,,,,,,,,,,,③焊縫

43、金屬的截面積,（焊腳取8mm）因是內(nèi)平齊接管，所以,（4）需另加補(bǔ)強(qiáng)面積,因,故需另加補(bǔ)強(qiáng)面積,,77,,,,,,,,,,,,,,,,,（5）補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì) 根據(jù)接管公稱直徑dN150選補(bǔ)強(qiáng)圈，參照J(rèn)B／T 4736-2002《補(bǔ)強(qiáng)圈》取補(bǔ)強(qiáng)圈外徑,，內(nèi)徑,,補(bǔ)強(qiáng)圈在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)。 補(bǔ)強(qiáng)圈計(jì)算厚度為：,考慮腐蝕裕量和鋼板厚度負(fù)偏差并經(jīng)圓整，取補(bǔ)強(qiáng)圈名義厚度為12mm。但為了便于制造和材料準(zhǔn)備，補(bǔ)強(qiáng)圈名義厚度可取為封頭