开孔补强计算GB150-2011等面积补强法_单孔
圆筒开孔补强结构尺寸设计计算表 GB150-2011 6.6.3
（0） 要求：δ et ( t ) min
1.8 215 接管 166.1 1800 18 1.8
MPa mm mm mm
[ ]ts
Di δn Cs
[ ]tt
do δnt Ct
166.1 960 30 1.8 接管Байду номын сангаас
mm mm [σ]t U mm MPa
δ
（0） e
= δ n - Cs
16.2 1819.8
(0)
由 ρ ， U ， g 查曲线得 h mm mm d (1)=D ρ (1) δ t(1)=d (1)/2U
( 0) g （1） et / t (1)
d (n) δ t(n) g (n) h min
909.9 4.930222757 5.719822691
1091.88 5.916267309
（0） δ et = δ n t - C t （0） d = do - δ et
28.2 931.8 166.1 92.28
（0） D = Di + δ e + 2C s
[ ]t min([ ]ts , [ ]tt )
U =[σ]t / p δ=R / U 9.86 1.64 ρ=d/D ρ (1)= 0.50 由 ρ ， U ， h 查曲线得 g g (1)= 0 δt=r / U
开孔补强计算时接管厚度附加量对计算结果的影响
开孔补强计算时接管厚度附加量对计算结果的影响陆英（常州市乐萌压力容器有限公司，江苏 常州 213138）[摘 要] 国内外大多数压力容器设计标准规范中开孔补强计算是以有效厚度进行计算的，但GB 150.3-2011标准中计算外伸、内伸接管有效补强高度时，是以接管名义厚度计算的，由于名义厚度中包含了厚度附加量，不符合强度计算理论。
通过对一台氯气缓冲罐接管开孔补强计算进行对比说明，按GB 150.3-2011标准计算开孔补强满足强度要求，如采用接管有效厚度进行计算，则不能满足强度要求，建议GB 150.3-2011标准中开孔补强计算以接管有效厚度作为计算依据。
[关键词] 接管开孔补强；接管有效厚度；接管有效补强高度；接管厚度附加量作者简介：陆英（1976—），女，江苏常州人，本科学历，工程师。
在常州市乐萌压力容器有限公司主要从事压力容器设计和制造工作。
压力容器根据操作工艺要求，需要在壳体上开设各种规格的管口。
容器壳体开孔后，因承载面积的减少及结构不连续，而引起应力集中，使开孔边缘应力增大且强度受到削弱，所以需要对接管开孔进行补强计算，保证接管开孔部位满足强度要求。
接管开孔补强计算是压力容器设计过程中的一项重要内容。
1 开孔补强的原理及计算方法压力容器受到介质压力作用后，壳体承受薄膜应力。
当在壳体上开孔后，既减少了壳体的承载面积而使应力增加，又由于开孔引起结构不连续，导致开孔部位应力集中[1]。
由此可知，壳体开孔后将使开孔部位强度削弱。
为了保证壳体承载能力不因开孔削弱而降低，需在开孔边缘附近增加相应的承载金属面积，以满足强度要求。
满足开孔补强的强度条件是开孔边缘区域内的应力在许用范围内，需要通过开孔补强计算，确定开孔区域是否满足强度要求。
开孔补强计算方法有等面积法、压力面积法、应力分析法及有限元分析法[2]，最常用方法是等面积法，等面积法是壳体开孔所需补强面积等于因开孔而削弱的面积。
采用等面积补强计算时，壳体开孔所需补强面积是壳体计算厚度与开孔直径乘积[3]，在有效补强范围内补强截面积包括壳体多余面积、接管多余面积、补强区域内焊缝面积以及另加补强金属面积。
开孔与开孔补强的计算编程
第一章绪论1.1开孔补强的重要性在压力容器设计中，为满足工艺操作，容器制造、安装、检验及维修等要求，开孔是不可避免的。
由于容器开孔以后，不仅消弱了容器的整体强度，而且还因开孔引起的应力集中以及接管和容器壁的连接造成开孔边缘的局部的高应力，这种高应力可以达到容器筒体一次总体薄膜应力的3倍，某些场合甚至会达到5~6倍，再加上接管有时还会受到各种外加载荷的作用而产生的应力温差产生的热应力，使得开孔接管处的局部应力进一步的提高。
又由于材质和制造缺陷等各综合作用，开孔接管附近就成了压力容器的破坏源—主要疲劳破坏和脆性裂口。
因此，压力容器设计中必须充分考虑开孔的补强问题。
1.2 开孔补强的设计方法(一)等面积补强法采用此方法要求容器开孔后,在容器和接管连接处周围的补强金属必须等于或大于开孔缩消弱的金属量(已通过孔截面的投影面积计算)。
它是根据补强后，强度安全系数为4~5的经验制订，希望不降低容器开孔后的平均应力。
这种补强方法比较安全可靠，使用简便，就是在接管同时受到内压、弯矩、推力等作用也能够给出足够的安全裕度。
但对不同的接管进行补强时，会得到不同的应力集中系数。
等面积补强应以在开孔中心截面上的投影面积进行计算，使补强材料的截面积不小于因开孔而挖掉的金属面积。
补强材料一般需与壳体材料相同，补强材料许用应力小于壳体的时，补强面积按壳体材料与补强材料许用应力之比而增加。
若补强材料的许用应力大于壳体的许用应力，所需的面积不得减少。
(二)根据弹塑性失效准则的设计方法这种补强方法，允许补强后的容器在开孔附近出现塑性变形。
在一次加载过程中出现的一定量的塑性变形，在第二次以后的重复加载中，除了蠕变效应外，不会再出现新的塑性变形。
只要一次应力加上二次应力小于三倍许用应力即两倍的屈服应力，容器就认为是安定的。
这种补强方法是根据美国压力容器研究委员会(PVRC)在圆筒和球壳上装有单根圆筒形径向接管的研究结果得出，其基本的出发点是从应力分类中的安定性概念出发，为维持开孔接管区的安定而僵局部高应力点的虚拟应力限制于δ2s,且将开孔并补强后壳体的屈服压力维持在为开孔时的98%的屈服压力。
(特种设备)压力容器常用开孔补强方法对比分析
压力容器常用开孔补强方法对比分析压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。
对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。
本文对这两种方法作以比较和分析。
在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。
容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。
因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。
开孔补强基本原理2.1.等面积法该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。
当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力。
等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。
它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。
2.2.分析法这种补强方法是以壳体极限分析为基础的，相对等面积法合理得多，但须受开孔壳体和补强接管的尺寸限制。
这种方法优点是：克服等面积法的缺点，在转角处采用圆滑过渡，减少结构形状的突变，减小应力集中程度。
将补强面积集中在应力最高点，充分利用补强面积，使补强更经济、合理。
对比分析3.1.等面积法等面积法顾名思义：壳体截面因开孔被削弱的承受强度的面积，须有补强材料予以等面积补偿，其实质是壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的“强度面积”A乘以壳体材料在设计温度下的许用应力[σ]t，即A[σ]t，应由补强材料予以补偿，当补强材料与壳体材料相同时，则补强面积就等于削弱的面积，故称等面积法。
浅谈压力容器的开孔补强设计
浅谈压力容器的开孔补强设计摘要：笔者通过对新版GB150.1～4-2011的宣贯学习，由于此次标准更新内容多，修订的内容宽，许多内容的修订都紧跟时代步伐，一些新思想、新理念、新技术、新材料的应用，使得新版GB150更具有鲜明的特色，同时也借鉴了ASME、EN等标准的一些先进的设计理念，可以说是融会贯通，更好的以实践为准则。
本文主要就压力容器的开孔补强设计展开探讨。
关键词：压力容器新版GB150开孔补强设计一、压力容器的开孔补强设计在压力容器壳体和平盖上，因开孔接管处几何不连续，容器强度受到削弱，接管与主壳相贯处应力集中，内压下产生较大的局部应力，再加上接管上会有各种附加载荷产生的应力、温差应力以及容器材质和制造缺陷等因素的综合作用，往往成为容器破坏的原发部位，需要对开孔接管处进行开孔补强，因此开孔补强是压力容器设计中的一项重要内容。
具体对压力容器的开孔补强设计方案主要包括以下四种：1.不另行补强GB150.3-2011中6.1.3规定壳体开孔不另行补强需满足以下条件：1.1设计压力p≤2.5MPa;1.2两相邻开孔中心的间隙应不小于两孔直径之和；对于3个或3个以上相邻开孔，任意两孔中心的间距应不小于该两孔直径之和的2.5倍；1.3接管外径小于或等于89mm;1.4接管厚度满足GB150.3-2011表6-1的要求，表中接管壁厚的腐蚀裕量为1mm,需要加大腐蚀裕量时，应相应增加壁厚；1.5开孔不得位于A、B类焊接接头上；1.6钢材的标准抗拉强度下限值大于等于540 MPa时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构型式。
此外，笔者还想补充一种不另行补强的情况：当设备壳体有效厚度大于等于其计算厚度的2倍时，壳体开孔补强也是可以免除计算的。
此种方案的提出是用等面积补强法来推导出来的，大多出现在操作条件不苛刻的换热器设计当中，此时为了保证设备的刚性对壳体的最小厚度进行了要求，而此最小厚度有时会大于壳体的计算厚度一倍甚至更多。
开孔与开孔补强解读
A 0.5dop p
开孔率（开孔直径与平盖直径之比）大于0.5的 平盖，受力与法兰相近，故其开孔补强按法兰或反 向法兰计算。
有效补强范围：
两个方向的补强范围 （1）沿壳体经线方向的补强范围： B 2dop 是依据受均匀拉伸作用的开小孔大平板，孔 边局部应力集中的衰减范围确定的。 （2）沿接管轴线方向的补强范围：h d op nt 是依据圆柱壳在端部均布载荷作用时，柱壳 中局部环向薄膜应力的衰减范围确定的。
2.2分析法适用的范围
2.3不另行补强的最大开孔直径
3.，属于拉伸强度补偿。为保障内压壳体开 孔局部截面的拉伸强度，从补偿角度讲：壳 体由于开孔丧失的拉伸承载截面积应在孔边 有效补强范围内等面积地进行补偿，俗称等 面积补强。
等面积补强法对开孔边缘的二次应力的 安定性问题是通过限制开孔形状、长短径之 比和开孔范围（开孔率）间接加以考虑的， 使孔边的局部应力得到一定的控制。 等面积补强法对开孔边缘的峰值应力问 题未加考虑，为此不适用于疲劳容器的开孔 补强。
2. GB150.3-2011中开孔补强的计算包括等面 积法和分析法。 2.1适用范围：
3.2单个开孔补强的等面积法适用范围：
3.3补强的结构形式 1）补强圈补强
接管壁厚选用，特别是小接管的壁厚选 用常出现不合理的现象。 对于要求接管与壳体的焊接接头采用全 焊透的结构时，接管壁厚应取≥1/2壳体壁厚 或取接管壁厚≥6mm两者的较小值。 对于坡口熔敷金属量大的焊接接头，当 壳体壁厚大于16mm时接管壁厚应大于8mm； 当壳体壁厚较大（壁厚≥ 20mm）时，接管与 壳体的连接焊缝宜采用双面坡口。 对于低温压力容器，与壳体相焊的接管 壁厚应不小于5mm，其中DN≤50的短接管宜 采用锻造的厚壁管或异径管。
GB150-2011培训宣贯-容标委
球壳的壁厚设计
中径公式：
D
p D 4
4
D2 p pc Do t 4 pc pc Di t 4 pc
GB150.3《压力容器-设计》
郑津洋
2012年2月22-23日 黄山
GB150.3对GB150-1998所作的修改和增加的内容
内压圆筒和内压球壳 - 增加了按外径进行壁厚设计计算的相应公式 受外压圆筒和球壳以及外压曲线 - 增加了对应于高强度材料的外压曲线 -增加了材料与应力系数B曲线图的对应选用表 -加强圈的结构设计作了部分修改
r = 0.001Q1DiL
式中，Q1 按 pc/[]t = 0.002 查图5-12得到
图5-12
锥壳大端连接处的Q1 值图
筒体的计算厚度
加强段厚度：r = Q1
2）轴向力QL作用下，为满足连接边缘的力平衡和变形协调所 产生的应力校核 (GB150-2011新增的计算校核内容) 沿圆周单位长度上的轴向力QL
因为K大于1，所以
ln K 2 K 1 K 1
这就是说：在径比和材料一定时，按Tresca屈服准则 得到的计算压力大于按中径公式得到的计算压力；反之，
当计算压力和材料一定时，按中径公式得到较厚的壁厚， 偏保守。值得注意的是：当径比较小时两者的差异很小。
基于此，新版ASME BPVC VIII-2中，不论厚或者薄， 圆筒的厚度均基于Tresca屈服准则，即厚度计算公式为
t
1.0
Mises Tresca
中径公式
p/([ ] )
t
0.5
0.0
关于化工压力容器的补强设计及计算
关于化工压力容器的补强设计及计算发表时间：2020-04-07T15:17:02.053Z 来源：《基层建设》2019年第32期作者：赵华融[导读] 摘要：在压力容器设计过程中，满足强度的开孔补强设计及计算对压力容器的安全、平稳运行至关重要。
广州市浩鑫洁净工程技术有限公司摘要：在压力容器设计过程中，满足强度的开孔补强设计及计算对压力容器的安全、平稳运行至关重要。
基于此，笔者展开以下探讨以供参考。
关键词：化工压力容器；开孔补强1.化工压力容器开孔补强设计在化工压力容器开孔补强设计过程中，最主要的是截面的选取，通过对补强面积的确定和计算，求得开孔所需补强面积，再选择适当的补强方式。
补强圈在化工压力容器补强设计中得到较多应用，而厚壁接管补强在其设计制造中显现出的优势使其得到广泛的应用。
2.开孔补强设计在压力容器设计中的运用（1）补强圈补强设计在设备中，适当的补强面积可以使开孔设备拥有更加强大的承载力，适当降低开口边沿的应力峰值。
采用补强圈结构进行补强时，必须符合下面的几项规定：1）低合金钢的标准抗拉强度下限值＜540MPa； 2）补强圈厚度小于或等于1.5倍壳体壁厚； 3）壳体名义厚度≤38mm。
此外，对于盛装毒性为极度危害与高度危害介质的压力容器，也不宜采用。
由于补强圈与壳体采用搭接连接方式，搭接结构处角焊缝会引起较大的局部应力。
补强圈与壳体金属间的热膨胀差会使补强局部区域产生热应力，因此，补强圈补强结构不能用于承受疲劳载荷的压力容器。
（2）厚壁接管补强设计针对容器壁的小孔径开孔补强设计，厚壁接管补强法是较为常用的方法，选用厚壁接管补强时，应保证接管内径满足工艺要求。
厚壁接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验，补强效果较好，厚壁接管补强结构的加厚部分处于最大应力区域内，从而可以有效降低开孔边的应力集中系数。
厚壁接管补强可选择无缝钢管，也可选用锻件加工制造。
厚壁管补强与壳体的连接方式有内齐平式、内插入式和外安放式三种类型，见图1，按等面积法原则，内插入式能适当减小补强厚壁管壁厚。
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接管实际外伸长度
150.00 mm 接管有效外伸长度 h1
18.87 mm
接管实际内伸长度
0.00 mm 接管有效内伸长度 h2
0.00 mm
开孔削弱所需的补强面积 A
A=dδ+2δδt(1-f)
798.8 mm2
壳体多余金属面积 A1
A1=(B-d)(S-δ-C)-2St(S-δ)(1-f)
180.2 mm2
钢板负偏差及腐蚀裕量 C
1.0 mm
接管外径 d ’
89.0 mm
接管外径 d (最大尺寸）
89.0 mm
接 接管材料
20
[σ] 接管许用应力
[σ]t
131.00 MPa
补强圈材料
—
补 131.00 MPa
补强圈许用应力 [σ]rt
131.00 MPa
接管焊接接头系数 φ1 接管厚度 St 管 接管负偏差及腐蚀裕量 C1 接管强度削弱系数 f
551 mm2
结：
补强满足要求
0.9 4.00 mm
1.0 mm 1
强 补强圈外径 d2 补强圈厚度 S1t 补强圈负偏差及腐蚀裕量
圈 C2 补强圈强度削弱系数 fr
178 mm 12 mm 1 mm 1
开孔直径 di
89.0 mm 补强区有效宽度 B
178.00 mm
壳体计算厚度 δ
8.976 mm 接管计算厚度 δt
1.422 mm
设计条件
简图
设计压力 Pc
0
1.05 MPa
设计温度 t
200 ℃
椭圆形封头长短轴之比 过渡区半径与球面半径之 比 壳体内直径Di
开孔处焊接接头系数 φ
2 0.1 1500 mm 1.00
壳体材料
Q235B
[σ] 壳体许用应力
[σ]t
99.00 MPa 99.00 MPa
开孔处名义厚度 S
12.00 mm
接管多余金属面积 A2
A2=2h1(St-C1-δt)f+2h2(St-C1)f
59.6 mm2
角焊缝金属面积 A3
A3=St2/2
8.00 mm2
A1+A2+A3
A1+A2+A3
247.73 mm2
补强校核 A＜A1+A2+A3
不满足,需加补强圈
补强圈面积 A4
979.00 mm2 A-(A1+A2+A3)