开孔补强

目录

1前言及概念3

1.1开孔补强的适应范围和方法 (3)

1.2满足开孔条件时，可采用的三种补强方法 (3)

1.3开孔补强的目的 (4)

1.4补强结构(补强元件类型) (4)

1.4.1加强管补强 (4)

1.4.2整体锻件补强 (4)

1.4.3加强圈的补强 (4)

1.5壳体开孔的有关规定 (5)

1.5.1允许不补强时开的最大孔直径 (5)

(5)

1.5.2壳体上允许开的最大孔直径d

max

1.6等面积补强计算方法 (6)

1.6.1各国压力容器规范主要采用的准则(补强准则的种类) (6)

1.6.2等面积补强的原则 (6)

1.6.3等面积补强计算方法 (6)

2工艺设计 8

2.1设计要求 (8)

2.2连续釜式反应器工艺设计 (8)

2.2.1单段连续釜式反应器 (8)

2.2.2反应器直径和高度的计算 (9)

3 机械设计9

3.1手孔的开孔补强计算 (9)

3.1.1计算是否需要补强 (10)

3.1.2计算开孔失去的面积A (10)

3.1.3计算有效补强面积A

(11)

3.2进料口的开孔补强计算 (11)

3.2.1计算是否需要补强 (11)

4补强结构图12

5总结13

6参考文献 13

1前言及概念

在日常的压力容器设计工作中，经常会遇到压力容器开孔补强问题。压力容器开孔以后，不仅整体强度受到削弱，而且还因开孔引起的应力集中造成开孔边缘局部的高应力，加上接管上有时还有其他的外载荷所产生的应力及热应力，而容器材料、以及开孔结构在制造和焊接过程中又不可避免地会形成缺陷和残余应力，开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位，于是开孔附近就往往成为压力容器的破坏源一一主要是疲劳破坏和脆性裂口。因此，按照GBl50-1998Ⅸ钢制压力容器》的规定，在压力容器设计过程中必须充分考虑开孔的补强问题。

1.1开孔补强的适应范围和方法

(1)当其内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤1／2Di，且d≤520mm；当其内径D≥1500mm时，

开孔最大直径d≤l／3Di，且d≤1000mm；

(2)凸形封头或球壳的开孔最大直径d≤1／2Di；

(3)锥壳(或锥形封头)的开孔最大直径d≤1／3Di，Di为开孔中心处的锥壳内直径；

(4)在椭圆形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。

1.2满足开孔条件时，可采用的三种补强方法

(1)补强圈补强

补强圈补强结构简单，制造方便，有一定的补强效果。但和其它补强结构相比，补强区较为分散，补强效果不佳，补强后的应力集中系数比较大。由于补强圈并未和壳体、接管形成整体，所以其抗疲劳性很差，一般常用于静压、常温下的中低压容器。对于缺口敏感性较高的低合金高强度钢制容器，采用此种补强结构时尤需慎重，高温、高压或承受变载荷的容器，则不宜采用此种补强形式。鉴于补强圈搭接结构会引起较大的局部应力，且高强度钢的淬硬性强，易产生焊接裂纹，故在超出GBl50—1998对其适用条件范围时，宜采用整锻件补强或整体加厚壳体补强。

(2)整锻件补强(包括用全焊透焊缝连接的厚壁管补强)

采用整锻件补强，所有补强区域集中在应力集中区，能有效地降低应力集中系数，故补强效果好。由于补强件和壳体、接管之间的焊接采用对接焊缝，焊接质量可保证，并使焊缝及热影响区离开最大应力点的位置，故抗疲劳性能好。常用于o S≥500MPa的容器开孔及在低温、高温或受交变载荷的大直径容器开孔。缺点是锻件供应困难，制造繁琐，成本较高，只在重要的设备中使用。采用厚壁管补强，接管的加厚部分处于最大的应为区域内，比补强圈更能有效地降低应力集中系数。这种形式结构简单，制造与检验都很方便，但必须保证全焊透焊接。对于低合金高强度钢，由于它比一般低碳钢有较高的缺口敏感性，所以一般都采用厚壁管补强型式。

(3)整体加厚壳体补强

整体加厚壳体补强结构是以增加整个简体或封头的壁厚来降低开孔附近的应力，其开孔补强计算可按等面积补强法进行计算。根据理论和实验分析，开孔后的应力集中现象有明显

的局部性。当简体上开设排孔或封头上开孔较多时，一般采用整体加厚壳体补强。

1.3开孔补强的目的降低开孔接管处的应力峰值

因为容器的强度条件

[]φ

σ

σ?

≤t

max,所以应力峰值降低,设计时

[]tσ

降低,n

δ

降

低.

[]

c

t

i

c

p

D

p

-=

φ

σ

δ

2

1.4补强结构(补强元件类型)

1.4.1加强管补强

(1)结构：如下图1 即在开孔处焊接一段加厚的接管

(2)特点:环焊缝少.易探伤,结构简单

(3)适用范围:低合金钢,高压设备

1.4.2整体锻件补强

(1)结构:如下图2

(2)特点:

优点: 对焊,易探伤

抗疲劳性能好

缺点: 成本高,加工难

(3)适用范围:高压重要设备

1.4.3加强圈的补强

①结构: 如下图3

②特点:

优点:简单,易加工,使用经验丰富

缺点:抗疲劳性能差,热应力大,K大

. ③适用范围: ???

??≤≤≤38

5.1540u n s MPa σδσσ补

1.5壳体开孔的有关规定

1.5.1允许不补强时开的最大孔直径

① P c ≤2.5MPa

②开孔中心距A>=两孔直径和的2倍. )(221φφ+≥A ③接管外径d 0≤89mm

④接管最小壁厚min σ满足表内要求.

1.5.2壳体上允许开的最大孔直径d max

(1) 圆筒???

???

?

≤≤

≤≤≤≤mm D d D mm D d D i

i

i

i 10003150052021500max max 且时，且时，

(2) 凸形封头与球壳的

2max i D d ≤

(3) 锥壳或锥形封头的3

max i D d ≤

(D i 为开孔中心处的锥壳内径)

注:椭圆,碟形过度段部分开孔时,孔中心线垂直于封头表面.

1.6等面积补强计算方法

1.6.1各国压力容器规范主要采用的准则(补强准则的种类)

因为补强的目的是降低开孔接管处的应力值,对这个应力值限制在什么范围内,就出现了各种补强准则.

(1) 等面积补强准则 (2) 极限分析法 (3) 安定性理论

(4) 其它方法: 实验屈服法、实验应力法等

1.6.2等面积补强的原则

在补强区(在邻近开孔处附近处)所加补强材料的截面积A 0应与开孔而失去的截面积A 相等.即A 0=A

其含义:在于补强壳壁的平均强度,用开孔等面积的外加金属来补强被削弱的壳壁强度.

1.6.3等面积补强计算方法

(1)判断是否要补强计算

满足不另行补强的最大开孔直径的条件者,不补强 (2)计算开孔失去的面积A. （3）确定补强区的有效范围

有效宽度B 取大值 nt n d B d

B δδ222++==

有效高度h 取小值

外伸长度d

h nt δ=

1

，

.

内伸长度

nt

d h δ=

2

（4）计算有效补强面积0A

43210A A A A A +++=

1A ——壳体承受内压或外压所需设计厚度之外的的多余金属面积 )1)()((2)(1r e nt e f c d B A ------=δδδδδ）（

2A ——接管承受内压或外压所需的设计厚度d

δ之外的多余金属面积

r nt r d nt f c c h f c h A )(2)(22212--+--=δδδ

其中 )(d e δδ 计算设计厚度 c 厚度附加量 21c c c +=

r f 强度削弱系数

3A ——补强区焊缝面积

2

)21

(3??=高底A

4A ——补强区内另加的补强面积（加强圈面积）

（5）判断

当A A A A A ≥++=3210时， 不用补强。 当A A A A A <++=3210

时，需补强。

（6）补强圈面积4A 的计算

ì 当壳补][][δδ=，)(3214A A A A A ++-≥ í 当

壳补][][δδ>，04A A A -=

? 当

壳补][][δδ<，

)(][][14A A A -=

壳

补

δδ

（7）补强圈的设计

ì 补强圈的外径 B

D 有效宽度≤

如 308=B 则可知: 补强圈 3000=D í 厚度 'δ

n

d D A δδ5.1)('4

≤-=

若 n δδ5.1>， 采用补强圈不合适，该用其他方法补强。

2工艺设计

2.1设计要求

设计压力 体内：4MP 夹套：2.5MP 设计温度 体内：<200 ?

C 夹套：250 ?C 介质 体内：聚乙烯

夹套内：蒸汽

搅拌形式 桨式 操作容器 3.0 m 3

2.2连续釜式反应器工艺设计

2.2.1单段连续釜式反应器

()φφ

A A

A R

r x F V V -==

0, （1）

其中 F A ,0—每秒钟所处理的物料摩尔数，kmol/s 。 对于一级反应：（-γA ）=kC A =kC A,O （1—A x ）

则有效反应体积：

()

()

2

0,00,0,1A

A A A A A A R KC C C V x kC x F V -=

-=

其中 V 0—每秒所处理的物料体积，m 3

/s 对于二级反应：（-γA ）=

(

)2

2

0,21A A A x kC kC -=，代入式（1）中

则有效反应体积为：V R =

()

()

20,02

0,01A

A A A A A

kC C C V x kC x V -=

-

其中 A x —转化率，其它符号同前。

2.2.2反应器直径和高度的计算

在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择罐体适宜的长径比(H/Di)，以确定罐体直径和高度。选择罐体长径比主要考虑以下两方面因素：

1、长径比对搅拌功率的影响：在转速不变的情况下，PμD 5（其中D —搅拌器直径，P —搅拌功率），P 随釜体直径的增大，而增加很多，减小长径比只能无谓地损耗一些搅拌功率。因此一般情况下，长经比应选择大一些。

2、长径比对传热的影响：当容积一定时，H/Di 越高，越有利于传热。长径比的确定通常采用经验值.即表2-1 表2-1 罐体长径比经验表

种类 罐体物料类型 H/Di 一般搅拌罐

液—固或液—液相物料

1～1.3 气—液相物料

1～2 发酵罐类

1.7～

2.5

在确定了长径比和装料系数之后，先忽略罐底容积，此时

???? ??≈

≈

i i i D H D H D V 3244

π

π

（2）

将上式计算结果圆整成标准直径，代入下式得出罐体高度

???? ??-?=?-=

v V D D v V H R

i i φππ14422 （3）

其中 v —封头容积

3 机械设计

3.1手孔的开孔补强计算

该反应釜公称直径Di=1400mm ，由概述内容可得：

圆筒??????

?

≤≤

≤≤≤≤mm D d D mm D d D i

i

i

i 10003150052021500max max 且时，且时，

允许不补强时开的最大孔直径 ① P c ≤2.5MPa

②开孔中心距A>=两孔直径和的2倍.

)(221φφ+≥A

③接管外径d 0≤89mm

④接管最小壁厚min σ满足表内要求.

3.1.1计算是否需要补强

已知Pc=P=4Mpa>2.5Mp ，Di=1400mm ，查GBl50表4一l 得[]t

σ=133MPa ，按开孔可能

通过焊接接头考虑取

=O ．85，把数据代人上式得：

=Pc*Di ／(2

[]t

σ-Pc)=4×1400／(2×133 * 0．85-4)=25.3mm

取C=C l +C 2=0+1=1．0,式中C 为厚度附加量，mm C l 为钢板或钢管的厚度负偏差，mm C2为腐蚀裕度，mm

按照GBl5l 一1999《反应釜》中规定的筒体的最小厚度确定该筒体壁厚为：

d δ=

min+C1=6+0=6.0mm

考虑腐蚀裕度圆整为n δ=7mm

其中，n δ为壳体开孔处的名义厚度，mm 。

因为

n δ—C=7—1.0=6.0mm

2

=2×25.3=50.6mm

所以

n δ-C<2

，必须进行开孔补强

3.1.2计算开孔失去的面积A.

由

=25.3mm ，得：A=

×

=640.09mm 2

所以开手孔失去的面积为640.09mm 2

3.1.3计算有效补强面积A 0 A 0=A 1+A 2+A 3

)1)()((2)(1r e nt e f c d B A ------=δδδδδ）（

r nt r d nt f c c h f c h A )(2)(22212--+--=δδδ

2

)21

(3??=高底A

B=2d

代人数据的：A 0=A=640.09mm 2

3.2进料口的开孔补强计算

3.2.1计算是否需要补强

因为本反应釜设计中取进料口开孔中心距A>=两孔直径和的2倍.

)(221φφ+≥A 由手孔开孔补强计算步骤得:

已知Pc=P=4Mpa>2.5Mp ，d=300mm ，查GBl50表4一l 得[]t

σ=264MPa ，按开孔可能通

过焊接接头考虑取=1．25，把数据代人上式得：

=Pc*Di ／(2

[]t

σ-Pc)=4×300／(2×264 * 1．25-4)=1.83mm

取C=C l +C 2=0+1=1．0,式中C 为厚度附加量，mm C l 为钢板或钢管的厚度负偏差，mm C2为腐蚀裕度，mm

按照GBl5l 一1999《反应釜》中规定的筒体的最小厚度确定该筒体壁厚为：

d δ=

min+C1=6+0=6.0mm

考虑腐蚀裕度圆整为n δ=7mm

其中，n δ为壳体开孔处的名义厚度，mm 。

因为

n δ—C=7—1.0=6.0mm

2=2×1.83=3.66mm 所以

n δ-C >2

，不需要进行开孔补强

4补强结构图

图1 加强管补强

图2 整体锻件补强

图3 补强圈补强

5总结

为满足各种工艺和结构上的要求，在高压容器上一般都需要开孔和安装接管。所以针对不同的设备就需要不同的开孔补强设计方法，主要有等面积补强法、弹性应力分析法、极限分析法、PVRC法、实验屈服法和压力面积法。但无论使用哪种设计方法，都要遵循以上开孔补强的设计准则。当开孔率超出GB150的规定范围时，应采用应力分析方法或有成功使用经验的对比试验设计。

开孔补强设计是为降低应力集中系数,而作的计算与结构设计，所以在做开孔补强的机械设计时，首先要根据容器开孔位置开孔最大直径确定是否需要开孔补强，若不需要则不必补强，如果需要开孔补强则要计算开孔失去的面积，最后计算有效补强面积，如果开孔失去面积等于有效补强面积则开孔补强计算完成，可以进行开孔补强了。

6参考文献

【1】GBl50—1998，钢制压力容器．

【2】喻健良.化工设备机械基础.大连理工大学出版社，304-315.

【3】朱智.简便计算在压力容器开孔补强中的应用.

【4】杨文玲等.高压容器3种开孔补强方法比较.

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