关于开孔补强(徐沁)
开孔补强方式的对比及设计中的问题
开孔补强方式的对比及设计中的问题夏宜岑【摘要】结合生产实际,对不同开孔补强方式进行对比,以及设计中开孔补强容易忽视的问题.【期刊名称】《化工管理》【年(卷),期】2017(000)023【总页数】1页(P97)【关键词】开孔补强;补强圈;厚壁管补强;整体锻件补强【作者】夏宜岑【作者单位】沈阳派司钛设备有限公司,辽宁沈阳 110168【正文语种】中文由于工艺和结构的要求，让设备可以正常的使用、测试和检修，石油化工行业中，在设备或压力容器上开孔并安装接管是避免不了的，例如：人手孔，进出料空，液位计口，测温孔等。
但开孔后，开孔处给容器带来的安全隐患也是不可忽视的。
开孔处成为设备主要破环源。
主要影响有以下几点：（1）开孔破环了原有的应力分布并引起应力集中（2）承载截面缩小，从而削弱容器壁的强度（3）形成容器结构的不连续性，产生很高的局部应力因此，采取适当的补强方式，并充分考虑开孔补强问题是必须的也是必要的。
这是保证压力容器安全的重要因素。
开孔补强分为局部补强结构和整体补强两大类。
但由于开孔应力集中的明显局部性，在不大的范围外就可以回复到正常的应力值，故除了制造或结构的需要外，一般我们不采取提高整个容器壁的厚度来进行开孔补强。
由于考虑到制造经济性及安全性，在压力容器设计中通常采用局部补强方式，大体分为补强圈补强、厚壁管补强和整体锻件补强三种方式。
下面我们就这三种方式使用工况及使用时存在的问题进行讨论。
补强圈的作用弥补开孔对设备壳体性能的削弱。
补强圈补强，由于制造便捷，结构简单，广泛使用在中低压容器中。
在制造厂中也是最愿意选取的一种方式，因此使用经验也是最为丰富的。
但使用补强圈的限制条件较多，工况较复杂的情况不适用，根据HG/T20583的规定，以下情况均不推荐采用补强圈的形式进行开孔补强：①高强度钢和铬钼钢制造的容器。
②设计压力大于或等于4Mpa的第三类容器。
③容器壳体壁厚大于或等于38mm。
④容器内介质毒性为极度、高度危害的介质。
开孔补强设计在压力容器设计中的运用
2016年12月开孔补强设计在压力容器设计中的运用黄集旭(温州新星设备安装有限公司,浙江温州325011)摘要：在压力容器设计中，开孔的目的是满足接管、检查和功能测试等的要求，而对开孔进行补强则是防止在该处产生应力集中危险因素，从而压力容器整体结构的安全。
在本案，笔者简要论述开孔补强设计在压力容器设计中的运用。
关键词：压力容器；补强圈补强；整体补强压力容器开孔后，会在开孔处产生局部性的边缘应力，因此需用补强圈、厚壁管和整锻件等进行补强，而若要维持压力容器的整体强度，则需补强由开孔外壁削弱的强度，注意在压力容器开孔补强中，应将开孔的数量、位置和容器的要求等考虑其中。
据此，本案分别从如下方面来浅析开孔补强设计在压力容器设计中的运用：1补强圈补强设计补强圈补强是一种局部补强形式，其具有焊缝小、结构简单等优点及其适用条件如下：补强圈厚度小于等于1.5δn、钢材的Rm小于540MPa，壳体厚度小于等于38mm，注意补强圈的用材应与壳体一致。
补强圈补强一般是将补强板焊在压力容器壁上，以增加该处的金属厚度及开孔边沿的强度。
但在这一过程中，建议注意如下事项：一是严控补强板的厚度，保证其小于等于压力容器开孔处厚度的1.5倍，否则会增大容器的不连续应力；二是用于补强板的钢材应具有良好的延展性和塑性，一般保证其在常温下的屈服强度ReL小于等于400MPa；三是焊缝采用全焊透结构，并在补强圈上开M10通孔，通过充气的方式来检验补强圈的焊透性；四是当压力容器使用环境的温差较大、氧化性和腐蚀性较强时及容器的载荷变化较大时，不易选取补强圈补强方式。
综上，鉴于补强金属处于开孔应力集中区及其补强效果较好，则建议用在高强度、低合金的钢容器中。
2厚壁接管补强设计在压力容器设计中，厚壁接管补强方式应用较为普遍。
针对厚壁接管补强，其首要步骤是选材，即以压力容器的使用条件及壳体材料为选材依据，注意其应与压力容器的壳体材料一致。
此外，在厚壁接管补强设计时，还应明确如下要点：一是不得选用强度比母材壳体大的接管材料，以免影响焊接效果；二是若选用强度比母材壳体小的接管材料，应增加接管的壁厚，以提高其补强效果，注意适当缩减接管的流通面积；三是为了减小加工误差，可选用锻件加工或无缝钢管，注意两种材料的使用条件有所区别，即当设计压力低及壁厚要求低时，选用无缝钢管，反之则选用锻件加工，从而满足压力容器开孔的补强要求。
压力容器设计开孔补强共4页word资料
开孔补强4.5.5.5等面积补强的分析与计算■等面积补强----壳体承受应力所必需的金属截面，因开孔被削去多少，就必须在开孔周围的补强范围内补回同样截面的金属面积。
有效补强的金属面积大于或等于开孔削弱的金属面积A 、判断是否可以不补强和不作进一步补强计算（1）强度裕量（开孔后仍有的）●容器实际壁厚大于计算壁厚（δδφe ）●接管厚度大于计算厚度（t et δδφ）●接管根部有填角焊缝 ●所开孔不在焊缝处，但壁厚计算的中径公式仍考虑了焊缝系数，计算壁厚有裕量。
（2）GB150-1998对不另行补强的规定同时满足下列条件时，开孔后可不另行补强：②相邻两孔中心的距离()2d d +≥B、等面积补强计算（1）所需最小补强面积接管有效面积：接管转化为壳体的当量面积：ΔA-----弥补[][]tttσσ≤而需增加的面积；或接管有效承载面积的折减量。
■圆柱壳■外压柱壳或球壳■平盖注：上述平盖和外压容器的公式来由参见丁伯民《压力容器设计----原理及应用》对平盖和外压容器，决定壳体厚度或承载能力的是弯曲应力，开孔削弱的是抗弯截面模量（而不是壁厚截面积）。
为保证开空前后的抗弯截面模量相等（w=w 0），要求k=A/A 0=1/(2+S/S 0)，为保守起见，取k=0.5。
s —补强圈厚度，s 0----平盖厚度；A----补强面积，A 0----开孔削弱面积。
（2）补强范围■有效宽度B■接管外侧高度h 1■接管内侧高度h 2{}接管实际内伸高度,min 2nt d h δ=1（3）补强范围内富裕的可作补强的金属面积A e■A 1----壳体有效厚度减去计算厚度之后的多余面积■接管有效厚度减去计算厚度之后的多余面积()()r et r t et f C h f h A 221222-+-=δδδ■A 3----有效补强区内焊缝金属的截面积（4）有效补强区内另外再增加的补强元件的金属截面积A 4若A A e >，则开孔后无需补强。
2020年压力容器的开孔与补强
（情绪管理）压力容器的开孔和补强第13章压力容器的开孔和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。
第壹节容器开孔附近的应力集中1、关联概念（1）容器开孔应力集中（Openingandstressconcentration）于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且安装接管，例如：人孔、手孔、进料和出料口等等。
容器开孔接管后于应力分布和强度方面会带来下列影响：◆开孔破坏了原有的应力分布且引起应力集中。
◆接管处容器壳体和接管形成结构不连续应力。
◆壳体和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（stressconcentrationfactor）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：（1）压力容器设计中对于开孔问题研究的俩大方向是：✧研究开孔应力集中程度，估算K t值；✧于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.1Variationinstressinaplatecontainingacircularholeandsubjectedtouniformtension 设有壹个尺寸很大的巨型薄平板，开有壹个圆孔，其小圆孔的应力集中问题能够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，只要板宽于孔径的5倍之上，孔附近的应力分量为：（2）平板开孔的最大应力于孔边处，孔边沿处：应力集中系数：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.2Variationinstressinasphereshellcontainingacircularhole孔边处r=a，,应力集中系数4、薄壁圆柱开小圆孔的应力集中如图3所示，薄壁柱壳俩向薄膜应力，，如果开有小圆孔，则孔边附近任意点的受力为：（3）Fig.3Variationinstressinacylindricalshellcontainingacircularhole孔边处。
演示版ASME规范-开孔补强
.课程概况一般要求补强面积的来源(壳体和成形封头上的单个开孔)腐蚀余量补强区域补强强度其它补强规定壳体和封头上多个开孔平端盖上的单个或多个开孔特殊要求举例开孔的目的处理容器内的介质检验安装内件容器的清理和排放一般要求开孔的一般要求允许的开孔形状、尺寸免除开孔补强计算开孔的形状圆形筒体或锥壳、封头上的开孔最好采用圆形、椭圆或长圆形状，但标准并不限制使用其它形状的封头。
当长圆或椭圆的开孔长、短径之比大于2:1，横跨短径的补强面积应增加，以防止由于扭矩产生的变形。
UG-36(b)开孔的尺寸1. 对于壳体内径 60”(1250 mm)，开孔尺寸不得大于直径的1/2，最大不超过20”(508 mm)。
..2. 对于壳体内径>60”(1250 mm)，开孔尺寸不得大于直径的1/3，最大不超过40”(1000 mm)。
3. 如果开孔超过上述限制，除要满足UG-36至UG-43的要求外，还须满足附录1-7的补充要求。
成形封头和球形壳上经过正确补强的开孔无尺寸限制。
当开孔的尺寸大于与封头相连的壳体直径的1/2时，可以使用锥壳过渡段来代替补强。
见UG-36(b)(2)(a-d)。
UG-36(c)(3)壳体和成形封头上开孔免除开孔补强计算容器上的开孔如果不承受压力的快速波动，在满足以下要求的情况下，开孔除自身构造的补强外，不须另外补强。
a) 对于焊接或钎接接头，最终开孔的直径不大于：●3-1/2 in. (89 mm) –壳体或封头的厚度≤ 3/8 in. (10 mm)；●2-3/8 in. (60 mm) –壳体或封头的厚度> 3/8 in. (10 mm)。
b) 对于螺纹连接或胀接接头，壳体和封头上的开孔直径不超过2-3/8 in.(60 mm).c) 任何两个未加补强的开孔，其中心距不得小于两孔直径之和。
. .d) 三个或三个以上开孔群中任意两个未加补强的开孔孔心距不得小于：))(cos 5.11(21d d ++θ - 对于圆形筒体和锥壳；)(5.221d d + - 对于具有双曲率的壳体和封头。
压力容器开孔补强设计
4.3.5 开孔和开孔补强设计
过程设备设计
2
δ—壳体开孔处的计算厚度，mm； δet—接管有效厚度，δet =δnt-C，mm； fr—强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体 材料许用应力之比，当该值大于1.0时，取fr=1.0。
b、外压容器或平盖：
4.3.5 开孔和开孔补强设计
过程设备设计
优点：长期实践经验，简单易行，当 开孔较大时，只要对其开孔尺寸和形 状等予以一定的配套限制，在一般压 力容器使用条件下能够保证安全，因 此不少国家的容器设计规范主要采用 该方法，如ASME Ⅷ-1和GB150等。
4.3.5 开孔和开孔补强设计
01
过程设备设计
02
该法要求带有某 种补强结构的接 管与壳体发生塑 性失效时的极限 压力和无接管时 的壳体极限压力 基本相同。
2
中低压容器应用最多的补强结构，一般 使用在 静载、常温、中低压、 材料的标准抗拉强度低于540MPa、 补强圈厚度小于或等于1.5δn、 壳体名义厚度δn不大于38mm的场合。
3
应用
4
HG21506-2005《补 强圈》
JB/T4736-2005《补 强圈》
5
标准
4.3.5 开孔和开孔补强设计
单击添加副标题
4.3 常规设 计
开孔和开孔补
强设计
第四章
压力容器设计
CHAPTER Ⅳ
Design of Pressure Vessels
过程设备设计 主要内容 补强结构 开孔补强设计准则 允许不另行补强的最大开孔直径 等面积补强计算 接管方位 开孔和开孔补强设计
4.3.5 开孔和开孔补强设计
过程设备设 计
外侧高度
压力容器的开孔与补强
压力容器的开孔与补强青岛科技大学机电工程学院装控系化工设备机械基础讲稿第13章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（Openingandtreconcentration）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（treconcentrationfactor）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σma某，则弹性应力集中系数为：Ktma某（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Kt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.1Variationintreinaplatecontainingacircularholeandubjecte dtouniformtenion青岛科技大学机电工程学院装控系化工设备机械基础讲稿第13章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：4a23a21co2242rra23a211co2（2）2422rr2a23a2r124in22rra2r122r平板开孔的最大应力在孔边2处，孔边沿ra处：r0,2ma某3应力集中系数：Ktma某3.03、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.2Variationintreinapherehellcontainingacircularhole孔边处r=a，ma某2,应力集中系数Ktma某2.04、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1pDpD，2，如果开有小圆孔，则孔242青岛科技大学机电工程学院装控系化工设备机械基础讲稿第13章边附近任意点的受力为：a2r122r324a23a22121r2r43a213a21241r4co24rr2a23a2124in24rr1co 2（3）Fig.3Variationintreinacylindricalhellcontainingacircularhole 3但是在孔边=处最大，孔边处径-con2)1,r=0。
关于开孔补强(徐沁)
开孔补强章节一、孔和孔桥补强计算的基本内容s。
--可不考虑孔间影响的的相邻两孔的最小节距（P10）S。
=dp +2√（Dn+δ）δ[d]—未补强孔的最大允许尺寸1 单孔和孔桥单孔：S≥S。
孔桥：S<S02 补强（1）S≥S。
d≤[d] 不需补强（2）S≥S。
d> [d] 按单孔补强（仅适用于d/Dn<0.8, 且d<600mm的径向孔径）补强条件是A1+A2+A3+A4≥A 且补强所需面积的2/3应分布在孔边1/4孔径的范围内（3）S<S0d<d。
按孔桥补强计算孔桥减弱系数，或在满足11.5.2 a、b的条件下，用管接头补强(4）S<S0 一孔d>[d] 在满足11.5.2 a、b的条件下，按单孔补强计算，补强后该孔在该孔桥中按无孔处理。
二孔d>[d] 按13章处理。
二、本章节的主要修正内容关于未减弱集箱筒体的内径Dn和补强管接头内径dn定义的修正原版标准中，补强计算的锅筒筒体、集箱筒体、补强管接头内径Dn 均以名义内径表示。
集箱筒体Dn=Dw-2δ补强管接头dn=dw-2δ1新版修改为集箱筒体Dn=Dw-2δy补强管接头dn=dw-2δ1y原因：由于名义壁厚中包含了壁厚的附加量，而通常集箱筒体和管子的尺寸控制点在外径（外径管），壁厚附加量的损耗会使集箱筒体、管子的实际内径大于其名义内径，而使原先按名义内径得出的一些计算结果偏于不安全。
故新版标准用有效壁厚代替上式中的名义壁厚，即剔除壁厚附加量的影响。
三、孔和孔桥章节的具体修改内容（一）单孔的补强1 未补强孔的最大允许直径(图19) （P41）修改1：k计算中，未减弱集箱筒体Dn的修正系数k k= PDn / (2[б]-P)Sy横坐标DnSyGB9222-88 无论是锅筒筒体或集箱筒体，Dn 指名义内径，GB9222(新版)：锅筒筒体同上，集箱筒体Dn=Dw-2S 修改为Dn=Dw-2δy2 孔的补强结构形式和未补强孔的概念（1）孔的补强结构形式（P43）修改2：增加了新版（a）的结构，并规定只适用于额定压力不大于2.5MPa的锅炉，同时a的结构形式适用于不受热锅筒筒体。
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开孔补强章节
一、孔和孔桥补强计算的基本内容
s。
--可不考虑孔间影响的的相邻两孔的最小节距（P10）
S。
=dp +2√（Dn+δ）δ
[d]—未补强孔的最大允许尺寸
1 单孔和孔桥
单孔：S≥S。
孔桥：S<S0
2 补强
（1）S≥S。
d≤[d] 不需补强
（2）S≥S。
d> [d] 按单孔补强（仅适用于d/Dn<0.8, 且d<600mm的径向孔径）
补强条件是A1+A2+A3+A4≥A 且补强所需面积的2/3应分布在孔边1/4孔径的范围内
（3）S<S0d<d。
按孔桥补强
计算孔桥减弱系数，或在满足11.5.2 a、b的条件下，用管接头补强
(4）S<S0 一孔d>[d] 在满足11.5.2 a、b的条件下，按单孔补强计算，补强后该孔在该孔桥中按无孔处理。
二孔d>[d] 按13章处理。
二、本章节的主要修正内容
关于未减弱集箱筒体的内径Dn和补强管接头内径dn定义的修正原版标准中，补强计算的锅筒筒体、集箱筒体、补强管接头内径Dn 均以名义内径表示。
集箱筒体Dn=Dw-2δ
补强管接头dn=dw-2δ1
新版修改为集箱筒体Dn=Dw-2δy
补强管接头dn=dw-2δ1y
原因：由于名义壁厚中包含了壁厚的附加量，而通常集箱筒体和管
子的尺寸控制点在外径（外径管），壁厚附加量的损耗会使集箱筒体、管子的实际内径大于其名义内径，而使原先按名义内径得出的一些计算结果偏于不安全。
故新版标准用有效壁厚代替上式中的名义壁厚，即剔除壁厚附加量的影响。
三、孔和孔桥章节的具体修改内容
（一）单孔的补强
1 未补强孔的最大允许直径(图19) （P41）
修改1：k计算中，未减弱集箱筒体Dn的修正
系数k k= PDn / (2[б]-P)Sy
横坐标DnSy
GB9222-88 无论是锅筒筒体或集箱筒体，Dn 指名义内径，
GB9222(新版)：锅筒筒体同上，集箱筒体Dn=Dw-2S 修改为Dn=Dw-2δy
2 孔的补强结构形式和未补强孔的概念
（1）孔的补强结构形式（P43）
修改2：增加了新版（a）的结构，并规定只适用于额定压力不大于2.5MPa的锅炉，同时a的结构形式适用于不受热锅筒筒体。
另外11.4条孔的补强计算还规定a)型结构的补强计算方法视同d)型整体焊接结构处理。
原因：考虑小锅炉的需要。
（2）未补强孔的概念(P41)
修改3：未补强孔的的概念
所以新版11.2.1规定了什么是未补强孔，它包括三种：一种是不施焊的孔，第二种是管接头和筒体的焊接形式不符合11.3规定的补强形式，第三种是虽符合11.3的规定的补强结构形式，但不满足11.4.4条加强条件的孔。
和原标准的区别只是表述更清晰，实质上并无不同
3 孔的补强计算(P45)
GB9222标准的孔的补强计算是采用“等面积加强法”，其原理为：在有效补强范围内，筒体及补强结构除自身承受内压所需的面积外，多余的面积应不少于未开孔筒体由于开孔所减小的面积。
开孔后补强需要的面积A=dnδ0
补强面积包括(1) 有效范围内的焊缝面积A1
(2) 有效范围内管接头承受内压的多余面积
A2=2h(δ1y-δ10)
（3）有效范围内垫板的有效面积A3
(4) 有效范围内筒体承受内压的多余面积A4=dn(δ
-δ0)
y
δ0 ---强度未减弱的锅筒筒体或集箱筒体的理论计算壁厚
δ10---补强管接头的理论计算壁厚
修改4：GB9222-88 中S0= PDn / 2[б]-P ; S01=Pdn / 2[б]1-P GB9222(新版) 对于锅筒筒体：δ0= PDn / 2[б]-P
对于集箱筒体：δ0= P(Dw-2δy) / 2[б]-P
对于管接头：δ10= P(dw-2δ1y) / 2[б]1-P
修改5：GB9222-88 7.4.1条k≥0.4 若超过孔径应以补强结构予以加强。
GB9222(新版) 11.4.2条修改为k>0.4
原因：k=0.5, Sy=2S。
, A4=dn(Sy-S。
)=dnS。
已满足A=dnS。
按补强所需面积的2/3应分布在孔边1/4孔径的范围内, 当没有附加
补强结构，A’=A4’=2×1/4 dn(Sy-S。
)≥2/3dnSy
得Sy≥7/3S。
或k=S。
/Sy≤3/7=0.43
即当k≤0.43没有附加补强结构就可满足补强要求。
（二）孔桥的补强
修改6:11.5.1 孔桥相邻两孔中一个孔的直径大于未补强孔的最大允许直径，应在满足11.5.2条中的a、b要求下，按11.4条补强，当两孔节距S小于两孔直径之和时，11.4.3条中的有效宽度b=2(s-d1), d1为两孔中的小孔直径。
补强后，该孔在该孔桥中按无孔处理。
作用：完善了单孔补强孔桥的补强方法。
根据11.5.1, 相应的表19 A4计算中的dn修改为b-dn b为有效补强宽度
修改7：GB9222新版11.5.4条增加了相邻管接头结构、尺寸不同的孔桥补强应符合的条件。
(推导见文选集P103 《关于孔桥的补强计算的思考》)
F1’+F2’+F1’’+F2”≥(F’+F’’/S。
-2[d]d) S y
原因：原版标准中只给出相邻管接头结构、尺寸相同的孔桥的补强条件，而筒体上相邻管孔孔径大小、管接头结构不同是普遍存在的，所以本标准明确了相邻管接头结构、孔径不同的孔桥补强面积计算方式。