压力容器零部件的设计2开孔补强共38页文档
压力容器的开孔与补强
压力容器的开孔与补强压力容器是一种用于储存和运输高压气体、液体或气体液体混合物的装置。
由于容器内部承受着巨大的压力，因此对于压力容器的结构设计和制造质量的要求非常高，尤其是它的壁厚和容积大小等参数必须经过精密计算和实验验证。
然而，即使设计和制造工艺都非常优秀，压力容器在使用过程中，也一定会出现开孔或由于压力过高而造成形变或者破裂的情况。
为了避免这种情况的发生，我们可以采用开孔和补强两种方法进行预防和解决。
开孔是一种常见的预防压力容器事故的方法。
通过在容器的垂直和水平方向上开孔，可以使容器内部受到更好的冷却和通风，从而减少容器内部压力的累积。
另一方面，开孔的位置也可根据容器内部压力变化而进行调整，使事故的风险降到最低。
此外，设定开孔的位置和数量还可以为维护和保养提供更大的便利。
例如在容器的底部开孔，可以更轻松地清除容器内部积存的物质。
尽管开孔是一种有效的预防措施，但在一些情况下，由于开孔会改变容器的整体结构，从而降低容器的承载能力。
这时，可以采用补强的方法来保证容器的安全。
补强的方法主要是在容器受力较大的地方加装加强筋或者钢板等材料来提高容器的强度和承载能力。
这种方法的优点是可以增加整个容器的稳定性和韧性，从而避免容器内部压力过高而造成的泄漏和破裂等意外事件的发生。
需要注意的是，在进行压力容器的开孔和补强的时候，我们必须严格遵守国家标准，以确保容器的质量和安全。
另外，在进行相关的维修和改装时必须由具备相关资质、资历的专业人员进行操作，这样可以有效地避免其他安全隐患的发生。
最后，压力容器在工业生产和人们的日常生活中发挥着重要的作用，但与之相关的安全问题也时刻需要引起人们的重视。
因此，在日常生活和工作中，我们应该尽可能地避免对压力容器的摩擦和碰撞，同时，也应该注意对其的定期检查和维修，以避免意外事件的发生。
压力容器的开孔与补强
第13章 压力容器的开孔与补强本章重点内容及对学生的要求：（1） 回转壳体上开小孔造成的应力集中； （2） 开孔补强的原则、补强结构和补强计算； （3） 不另行补强的要求；（4） GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。
第一节 容器开孔附近的应力集中1、 相关概念（1）容器开孔应力集中（Opening and stress concentration ）在压力容器或设备上开孔是化工过程操作所决定的，由于工艺或者结构的需要，容器上经常需要开孔并安装接管，例如：人孔、手孔、进料与出料口等等。
容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下列影响：◆ 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。
◆ 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。
◆ 壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。
上述三种因素均使开孔或开孔接管部位的引力比壳体中的膜应力大，统称为开孔或接管部位的应力集中。
（2）应力集中系数（stress concentration factor ）常用应力集中系数Kt 来描述开孔接管处的力学特性。
若未开孔时的名义应力为σ，开孔后按弹性方法计算出的最大应力为σmax ，则弹性应力集中系数为：σσmax=t K （1） 压力容器设计中对于开孔问题研究的两大方向是： ✧ 研究开孔应力集中程度，估算K t 值；✧ 在强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。
2、平板开小孔的应力集中Fig. 1 Variation in stress in a plate containing a circular hole and subjected to uniform tension设有一个尺寸很大的巨型薄平板，开有一个圆孔，其小圆孔的应力集中问题可以利用弹性力学的方法进行求解。
承受单向拉伸应力开小圆孔的应力集中如图1所示，只要板宽在孔径的5倍以上，孔附近的应力分量为：⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θστθσσσθσσσθθ2sin 32122cos 312122cos 34121242224222422222r a r a r a r a r a r a ra r r （2） 平板开孔的最大应力在孔边 2πθ±=处， 孔边沿a r =处：σσστπθθθ3,0max 2===±=r应力集中系数：0.3max==σσt K 3、薄壁球壳开小圆孔的应力集中如图2所示，球壳受双向均匀拉伸应力作用时，孔边附近任意点的受力为：Fig. 2 Variation in stress in a sphere shell containing a circular hole孔边处r=a ，σσ2max = , 应力集中系数0.2max==σσt K 4、薄壁圆柱开小圆孔的应力集中如图3所示，薄壁柱壳两向薄膜应力δσ21pD =，δσ42pD =，如果开有小圆孔，则孔边附近任意点的受力为：⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θστθσσσθσσσσθθ2sin 32142cos 3141432cos 34122312422214212242222122r a r a r a r a r a r a ra r r （3）Fig. 3 Variation in stress in a cylindrical shell containing a circular hole孔边处r 1r 3r=a,=0,=(-con2),=02θθσσθστ。
压力容器设计_开孔及补强设计 共22页
HG21506-92《补强圈》，JB/T4736-2019《补强圈》
2．厚壁接管补强
第三章 压力容器的整体设计问题
结构：在开孔处焊上一段厚壁接管，见（b）图。
特点： 补强处于最大应力区域，能更有效地降低应力集中 系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易
检验，补强效果较好。 全焊透
应用： 高强度低合金钢制压力 容器由于材料缺口敏感
a. 圆筒上开孔的限制：
内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤ d≤520mm；
1 2
D，i 且
内径Di＞1500mm时，开孔最大直径d≤ d≤1000mm。
1 3
D
，且
i
b. 凸形封头或球壳上开孔最大直径d≤
1 2 Di
。
GB150对开孔最大直径的限制：
c. 锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径d≤
第二节 开孔及补强设计
第三章 压力容器的整体设计问题
埏埴以为器，当
其无，有器之用。
开孔带来的问题
破坏了原有的应力分布并引 起应力集中
接管处形成结构不连续应力
壳体与接管连接的小圆角处 的应力集中
弹性应力集中系数
Kt
max
一、开孔应力集中及应力集中系数
（一）开孔应力集中 最大应力在孔边，是应力集中最严重的地方。 孔边应力集中有局部性，衰减较快。
（碳钢tmax＝32mm；16MnR tmax＝30mm）；
3.设计压力大整于锻等于件4M补Pa；强
4.设计温度大于350℃； 5.容器壳体壁厚大于等于38mm； 6.极度、高度危害介质的压力容器； 7.疲劳压力容器。
1．补强圈补强
第三章 压力容器的整体设计问题
3.2压力容器的整体设计问题-II开孔补强
3.2 压力容器的整体设计问题-II开孔及补强设计
22
第二节 开孔及补强设计
二、开孔补强设计的要求
(一)允许不另行补强的最大开孔直径
由于各种强度富余量的存在，容器开孔并非都要补强。 a.不另行补强的最大孔径为
d m 0.14 DmT
b.当两孔中心之间的间距大于两孔直径之和的两倍 时，则每一孔均可视为单个开孔。
3.2 压力容器的整体设计问题-II开孔及补强设计
13
第二节 开孔及补强设计
一、开孔应力集中及应力集中系数
(三) 应力集中系数的计算 应力指数与应力集中系数Kt的区别：
应力指数 I 是指所考虑点(可以是一个或数个点)的应力分量(、 t 、 r)与容器无开孔接管时的周向计算薄膜应力之比。
应力集中系数Kt主要指结构某一局部区域具有最大应力分量的点(只 有一个点)的最大应力分量与无应力集中时的计算应力(对容器来说也 是无开孔接管时的周向计算薄膜应力)之比。 因此Kt更具有代表结构特性的含义，一个局部区域只有一个Kt值。Kt的 大小可以衡量结构应力集中的优劣。
27
第二节 开孔及补强设计
二、开孔补强设计的要求
(三) 补强元件的类型 3.整锻件补强 优点：补强区域更集中在应力集中区， 能最有效地降低应力集中系数，而且全部 焊接接头容易成为对接焊，易探伤，质量 易保证。这种补强件的抗疲劳性能最好， 疲劳寿命仅降低10％一15％。 缺点：锻件供应困难，制造烦琐，成本 较高。 常用场合：只用于重要的设备，如高压 容器，核容器及材料屈服强度在500MPa以 上的容器等。
3.2 压力容器的整体设计问题-II开孔及补强设计
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第二节 开孔及补强设计
一、开孔应力集中及应力集中系数
浅论压力容器中的开孔补强设计
浅论压力容器中的开孔补强设计压力容器在其设计中，为了将自身的使用功能进行最大化的发挥，需进行适当的开孔处理。
但是不可否认的是，开孔处理将会对容器造成一定的损伤，对其牢固度将会形成一定的不利影响，针对此类问题的出现，相应的补强设计便是对其所带来的不利影响进行较为科学妥善的处理。
1 开孔补强设计的重要性在进行压力容器设计时，开孔处理操作极为常见。
在通过状况之下，开孔处理主要是为后期的接管安装提供便利，对容器的功能性需求予以满足。
有时为了对整个压力容器进行全面维修、养护、调试，也需进行开孔处理。
而开孔处理会对整个容器的内部结构及其使用性能产生一定的不利影响，通常会使得容器整体的抗压性遭到削弱。
此种情况出现的主要原因为：在开孔处理后，压力容器内部存在的应力出现了断层差异。
而在开孔处进行接管，也会使得容器内部出现受力不均的状况。
另外大部分的压力容器应用于一些温度、压力均高的环境之下，应力、受力不均问题更为突出，再加上受到一些容器材料等多种因素的影响，整个容器性能将会受到极大的损害。
在容器的应用工作中，其工作质量、效率也较差。
所以，在对相关设计规范内容充分理解、遵守的前提之下，对容器进行开孔补强设计极为重要。
2 开孔补强设计在压力容器设计中的应用2.1 补强圈补强设计的应用在开孔补强处理中，局部补强方式应用较多，其中补强圈补强设计应用范围较广。
补强圈补强主要是指在压力容器壁上进行补强板的焊接处理，从而帮助进一步增强整个容器板的金属厚度，促使其开孔边缘强度得以增强，最终达到补强目的。
在补强圈补强方式应用中，有两点问题需着重关注：第一，补强板的设计厚度需严格要求。
一般情况下，补强板的厚度值与整个容器的开孔名义厚度值相比，应不超过其1.5倍。
大量的实践结果表明，如果补强板的厚度值大于开孔名义厚度的1.5倍，那么在进行焊接处理时，极易因为厚度过大而增大器焊接角，最终导致出现不连续应力过大的问题。
另外，在进行补强圈补强设计时，补强板材料需具有极强的塑性、延伸性，且其钢材的屈服强度在常温环境下应保持在400MPa范围内。
压力容器的开孔与补强-推荐下载
1
1
a2 r2
a2 r2
3 2
2a 2 r2
1
1 4
2 2
3a 2 r4
1
1
3a 2 r4
sin 2
4a 2 r2
cos 2
3a 2 r4
Fig. 3 Variation in stress in a cylindrical shell containing a circular hole
4、薄壁圆柱开小圆孔的应力集中
如图 3 所示，薄壁柱壳两向薄膜应力 1
,
应力集中系数 Kt
2
对全部高中资料试卷电气设备，在安装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料电试力卷保相护互装作置用调与试相技互术关，系电通，力1根保过据护管生高线产中0不工资仅艺料可高试以中卷解资配决料置吊试技顶卷术层要是配求指置，机不对组规电在范气进高设行中备继资进电料行保试空护卷载高问与中题带资2负料2，荷试而下卷且高总可中体保资配障料置2试时32卷，3各调需类控要管试在路验最习；大题对限到设度位备内。进来在行确管调保路整机敷使组设其高过在中程正资1常料中工试，况卷要下安加与全强过，看度并25工且52作尽22下可护都能1关可地于以缩管正小路常故高工障中作高资；中料对资试于料卷继试连电卷接保破管护坏口进范处行围理整，高核或中对者资定对料值某试，些卷审异弯核常扁与高度校中固对资定图料盒纸试位，卷置编工.写况保复进护杂行层设自防备动腐与处跨装理接置，地高尤线中其弯资要曲料避半试免径卷错标调误高试高等方中，案资要，料求编试技5写、卷术重电保交要气护底设设装。备备置管4高调、动线中试电作敷资高气，设料中课并技3试资件且、术卷料中拒管试试调绝路包验卷试动敷含方技作设线案术，技槽以来术、及避管系免架统不等启必多动要项方高方案中式；资，对料为整试解套卷决启突高动然中过停语程机文中。电高因气中此课资，件料电中试力管卷高壁电中薄气资、设料接备试口进卷不行保严调护等试装问工置题作调，并试合且技理进术利行，用过要管关求线运电敷行力设高保技中护术资装。料置线试做缆卷到敷技准设术确原指灵则导活：。。在对对分于于线调差盒试动处过保，程护当中装不高置同中高电资中压料资回试料路卷试交技卷叉术调时问试，题技应，术采作是用为指金调发属试电隔人机板员一进，变行需压隔要器开在组处事在理前发；掌生同握内一图部线纸故槽资障内料时，、，强设需电备要回制进路造行须厂外同家部时出电切具源断高高习中中题资资电料料源试试，卷卷线试切缆验除敷报从设告而完与采毕相用，关高要技中进术资行资料检料试查，卷和并主检且要测了保处解护理现装。场置设。备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。
浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计
浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计压力容器常规设计规范中的开孔补强设计是为了提高容器的强度和稳定性，减小应力集中，避免开裂和变形等问题。
在设计过程中，需要考虑容器的功能和使用条件，合理确定开孔位置、大小和数量，并采取适当的补强措施。
开孔补强设计中的关键问题是如何确定开孔的位置和大小。
开孔的位置应尽量避免处于应力集中区域，如容器的角部、焊缝附近等。
开孔的大小则需要根据承受的载荷和应力水平来确定。
一般来说，开孔的面积不应超过容器壁的总面积的30%。
当开孔过大时，容器壁的强度和刚度会大大降低，容易导致变形和破裂。
在确定开孔位置和大小之后，可以考虑采取以下几种方式进行开孔补强设计：1.增加开孔的边缘钝化半径：开孔边缘的过渡半径越大，应力集中程度越小。
在常规设计中，一般要求开孔边缘的钝化半径为开孔直径的1.5倍。
2.添加补强环：在开孔边缘处添加环形补强，可以有效减小应力集中，提高强度和稳定性。
补强环的尺寸和数量需要根据开孔的大小和容器的使用条件来确定。
3.增加开孔区域的厚度：开孔附近可以增加壁厚，提高容器的强度和刚度，减小应力集中。
墙厚增加的大小需要根据应力分布和容器的使用条件来确定。
4.使用合适的补强片：在开孔的附近添加合适的补强片，可以提高容器的强度和稳定性。
补强片的材料和尺寸需要根据容器的使用条件和承载能力来确定。
5.考虑应力分配：在设计过程中需要考虑容器的应力分配情况，避免应力集中。
可以采用软件模拟和实验测试等方法来确定应力分布和开孔补强设计的有效性。
在进行开孔补强设计时，还需要考虑容器的材料特性、制造工艺和维修等问题。
同时，需要按照国家和行业的相关规范和标准进行设计，确保容器的安全可靠性。
总之，开孔补强设计是压力容器常规设计规范中的重要环节，对容器的强度、稳定性和可靠性起着至关重要的作用。
合理选择开孔位置和大小，采取合适的补强措施，能够有效减小应力集中，提高容器的安全性能。
浅谈压力容器中的开孔补强结构设计
整体 补强则 不受上述 条件的 限制 ， 具有结构 简单 、 焊缝质量 容易检 验 、 补强
效果 好、 适用范 围广 、 制 造加 工方便 等优 点 ， 因此具 有广 泛的使 用前 景 。 若条 件
许可 ， 推荐 以厚 壁管 代替补 强圈进行 补强 。 整体补 强包括 增加壳 体厚度 、 或 用全
生。
所谓开孔补强结构， 是指在压力容器上开孔之后， 为了提高开孔周围材质
抗 压强度 的 降低而 进行 补救 的方法 。 压 力容器 为 同材质材 料制 造而成 ， 因不 同 的要 求需要在 容器 外壁开 出不同类型 的小 孔 ， 这样 就会导致 压力容 器整体 抗压 强度 的下 降 ， 可能 会导致 压力 容器 的使用 出现 问题 或是致 使其使 用寿 命缩短 。
一
、
开孔 补强 结构 的含 义
于焊 接过程 中容器 壁对 焊缝 金属 具有很 大 的约束作 用 ， 妨碍 其冷 却收 缩 ， 从而 容易在焊 根处 出现焊接 裂纹 。 特别 是高强 度钢淬硬 性大 ， 对 焊接 裂纹 比较敏感 ， 更容 易开 裂 。 因此， 必须 采用 预 热及焊 后 热处理 等 措施 ， 防止 此焊 接裂 纹 的发
构设计 应 注意 的 问题 进 行探讨 很 分析 ， 其 中包 括两点 ： （ 一） 接 管大 端厚度 一般 不超 过壳体 厚度 的１ ． ５ 倍， 最 大不 超过 壳体厚 度 的 ２ 倍。 这是 因为接 管越 厚 其刚度 就 越大 ， 对 容易 产生 冷 裂纹 的材 料来 说是 不 利
构， 其抗 疲劳 性能 好 ， 如接 管补强 、 整 锻件 补强和 加厚 壳体补 强 。 补强 圈补 强属 非整 体受力结 构 ， 其抗疲 劳 陛能 较差 制造时 如必须在 主要焊 缝上开 孔 ， 则 应对
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END
66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。— —裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭
1、开孔最大直管之分，则在壳体 上开孔为椭园形和卵圆形。要注意使其开孔长轴与圆筒 轴线垂直时有较小的应力集中系数。
开孔计算直径d的取法:由于圆筒计算厚度是根据周 向薄膜应力计算的，因此开孔截面应以承受周向薄膜应 力的截面考虑，即是与圆筒轴线平行的纵向截面。开孔 计算直径d为孔沿纵截面方向的直径。
容器大开孔与小开孔
❖ 容器孔边应力集中的理论分析是以无限大平板上开 小圆孔为基础的，壳体曲率变化不计，因此，孔边 应力均为拉（压）应力。
❖ 大开孔时，除有拉（压）应力外，还有很大的弯曲 应力，其应力范围超出了开小孔时的局部范围，在 较大范围内破坏了壳体的薄膜应力状态。因此小开 孔理论不适用。
压力容器零部件的设计2开孔补强
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
开孔和开孔补强设计
应力集中的特点
❖ 开孔接管处应力集中的特点： 在操作压力作用下，壳体和开孔接管的
连接处必须满足变形协调条件，因而产生相 互约束力和弯矩，使开孔接管处除了有孔边 集中应力、薄膜应力外，还有边缘应力和焊 接应力，比小孔K值高达3～6倍。应力集中 具有局部性。
❖ 开孔接管补强的目的： 使孔边的应力峰值降低到允许值。
应力集中系数K
❖ 应力集中系数K：开孔处的最大应力值（应力峰
值）与未开孔时的最大薄膜应力之比。即
K max
❖ 影响应力集中系数K的因素： ❖ 1)容器的形状和应力状态。圆筒和球壳上开同样
的孔，圆筒的K比球壳大。圆锥壳的K比圆筒大。
❖ 2)开孔的形状、大小及接管壁厚。椭圆孔的K
比圆孔大。方孔K最大。