压力容器开口补强及其在耐压试验工况下的应力校核

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第十二章压力容器的开孔补强

Rm 3 7 Rm 30 150 T
m
23
(三)应力集中系数的计算
3.椭圆形封头开孔的应力集中系数椭圆形封头开孔的应力集中系数可以近似的采用上述球壳开孔接管的曲线，只要将椭圆中心处的曲率半径折算为球的半径即可
Ri KDi
式中K为修正系数 Di为椭圆封头的内直径 Ri为折算为球壳的当量半径
13
(一)开孔的应力集中
1.平板开小孔的应力集中
σ
σθ
σθ
r
θ σθ σ
max=3σ
σγ
σ
a
r 0
图12-1 平板开小孔时应力集中
平板开孔的最大应力在孔边孔边沿r=a处： 0,

2
处
2
max 3
14
一、开孔应力集中及应力集中系数
(一)开孔的应力集中 1.平板开小孔的应力集中
10
第二节开孔及补强设计
一、开孔应力集中及应力集中系数
二、开孔补强设计的要求
三、等面积补强计算
11
一、开孔应力集中及应力集中系数
容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下列影响: 1. 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。 2. 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。 3. 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。
1
第一节总体设计问题概述
结果在开孔和接管处的局部地区，应力可能达到很大的数值。这样高的局部应力，有时再加上接管上还受到其他外部载荷（例如安装的附加弯短、热应力等）以及开孔结构在制造过程中难兔产生的残余应力等，于是开孔附近往往就成为容器的破坏源。因此必须对开孔处进行强度校核，如不能满足强度要求，则必须进行补强。

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。

浅谈开孔补强设计在压力容器设计中的应用

浅谈开孔补强设计在压力容器设计中的应用摘要：在压力容器中实施开孔操作，很容易导致设备整体结构性能发生转变，包括局部应力增大以及强度削弱，从而在运行中产生较多的安全隐患。

因此，为了补充容器开孔削弱的强度，减少局部应力峰值，开孔补强设计显得尤为重要。

关键词：开孔补强设计；压力容器设计1开孔补强结构1.1基本概念开孔补强即压力容器壳体开孔之后，因为承载面积减小，使得开孔边缘应力增大且强度削弱，为了消除这种影响，就必须针对压力容器开孔所造成的强度削弱进行弥补。

压力容器开孔补强必须考虑到开孔位置、开孔数量等各方面的因素影响，然后根据容器设计具体要求实施局部补强或者整体补强，局部补强可选用整锻件、厚壁管以及补强圈等方法进行补强。

1.2开孔补强选择在压力容器开孔补强设计过程中，要根据开孔位置、开孔数量以及开孔方式等条件，依照相关标准及实际情况选择最适宜的补强方法。

比如对于低合金高强度钢制容器开孔补强则需采用补强圈局部补强可获得良好补强效果。

采用补强圈进行补强，必须注意在补强过程中选择补强板的厚度，一般而言，补强圈的厚度应不大于壳体开孔处名义厚度的1.5倍。

因为补强板太厚会由于形状突变造成局部应力增大，增加焊接变形和缺陷，吸收热膨胀能力下降等不利因素。

若对于严格要求局部补强或不适用补强圈进行补强，常会采用整体补强来提升容器的使用性能。

开孔补强技术在应用过程中涉及到很多方面，若要实现开孔补强设计在压力容器中获得良好效果，则需要从多个方面考虑补强技术的具体应用和适宜条件。

另外在补强焊接时还应注意选择性能优良的焊接材料，尽可能减少其它外部因素的影响。

2压力容器设计中的开孔补强理论分析现行的压力容器开孔补强设计主要采用GB150-2011和JB/T4736-2002等标准，规定可以利用等面积法对容器本体的开孔及其补强计算。

等面积法适用于压力作用下壳体和平封头上的圆形、椭圆形、或长圆形开孔。

根据适用范围还可分为单个开孔和多个开孔。

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。

反应堆压力容器主螺孔扩孔修复的强度校核和应力分析

下简称ＲＰＶ）是反应堆一回路冷却剂系统的重要０引言反应堆压力容器（ＲｅａｃｔｏｒＰｒｅｓｓｕｒｅＶｅｓｓｅｌ，以
·７０ ·
１］，其失效承压边界，是整个核电站的核心设备［
将引起冷却剂的严重泄漏，造成放射性物质的大量外逸，危及反应堆的安全。螺纹紧固组件是保
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压力容器开孔补强分析及各种补强方法的比较

ＣＨＥＮｍＹ０
（ｕｎｚｏａｉＧａｇｈｕＨｕ —Ｌ —ＨｅｇＣｅｉａＩｄｓｙＥｕｍｎＣ．Ｌｄ，ＧａｇｏｇＧａｇｈｕ５４Ｃｉａｎｈｍｃｌｎｕｔｑｉｅｔｏ，ｔ．ｕｎｄｎｕｎｚｏ４２，ｈｎ）ｒｐ１１
力集中系数大于法向接管开孔，图２中的（）ｂ的应力集如ａ比（）
中系数大。
１开孔附近的应力分析
１１平板开孔附近的应力．
经分析 … ： ①平板开圆形孔； ②壳体开孑；平板开椭圆形Ｌ③
孔； ④无限大平板开多个孔。得出以下结论： ①开孔的应力集中区域内的应力是属于局部应力，衰减很
轴线，否则将使柱壳强度大大降低；图１中的（）ａ好。如ｂ比（）
⑤多个开孔，随着间距减小，孔边应力梯度也减小，大其最应力逐渐接近与按作用面积计算的平均应力； ⑥无论是球壳或简体，若将开圆孔与椭圆孔相比，者应力后集中系数比前者大，故当接管的方向不在壳体的法线时，的应它
的要求，使设备能够进行正常的操作、测试和检修，在壳体和端盖上不可避免地有各种开孔并连接接管，例如，物料进口、口，出测量
和控制点（压力表、测温口）视镜、、液面计、人孔和手孔等。开孑的结果，Ｌ不但会削弱容器壁的强度，且在开孔附近会而形成应力集中，峰值应力通常达到容器壁中薄膜应力的数倍，其例如３倍，时甚至达到５～有６倍。这样高的局部应力，加上接管上有时还有其他的外载荷所产生的应力，温度应力，以及容器材质和开孔结构在制造过程中不可避免地会形成制造缺陷。残余应力、是开孔附近就往往成为容器的破坏源一主要是疲劳破于坏和脆性裂口。因此，开孔补强设计是压力容器设计中较重要的组成部分，是保证容器安全操作的重要因素。我们必须正确分析开孔附近的应力集中，并采取适当的补强方法。

压力容器设计中开孔补强设计的应用及实践

压力容器设计中开孔补强设计的应用及实践作者：王刚来源：《装备维修技术》2020年第08期摘要：工业生产中，压力容器的应用范围非常广泛，如承载各种介质，包括有毒有害的、强腐蚀性的介质，实现介质的存储、反应、能量交换等。

压力容器的壳体上需要设置接管，用于与工作系统中的管道、阀门等连接，通常还需要设置检查孔，用于压力容器的检修、维护。

接管及检查孔会在压力容器本来完整的承压边界上形成开孔，会削弱其安全可靠性。

为保障压力容器可以安全运行，就要在容器开孔之后，以科学的方案实施补强处理。

本文对压力容器设计中开孔补强设计的应用及实践进行分析及研究。

关键词：压力容器设计;开孔补强设计;承压壳体;应用实践随着社会经济的高速发展，压力容器的应用范围不断扩大，其优势包括运行稳定、储量大、安全可靠性强等。

应用压力容器时，为满足实际的运行和检修需求，需要设置很多外接管和检查孔，从而会在压力容器承压壳体上形成开孔。

压力容器的开孔设计必须达到补强的需求，以保证整体强度和稳定性满足压力、温度等载荷条件，维持压力边界完整。

而且，压力容器大多存储危害性介質，如果压力边界破损，将发生安全事故，会导致严重的社会危害，因此，压力容器设计中的开孔补强的设计工作必须要科学合理。

一、开孔补强的限制条件和设计方法（一）限制条件压力容器开孔设计过程中，壳体开孔的形状以及直径具有一定的限制，各种类型的受压元件的开孔尺寸需满足以下要求：圆筒内径≤1500mm时，开孔直径需小于0.5Di（Di为圆筒内径）和520mm中的较小值，圆筒内径>1500mm时，开孔直径需小于Di/3和1000mm中的较小值;锥壳或锥形封头的开孔直径需低于Dk/3（Dk为开孔中心处的锥壳内直径）;凸形封头或球壳的开孔直径需在0.5Di（Di为封头内径）之内;对于椭圆形、长圆形的开孔，长短轴之比不得大于2.0。

（二）设计方法压力容器的开孔补强设计方法包括补强圈补强和整体补强两种。

压力容器开孔补强设计分析

2018年04月压力容器开孔补强设计分析郝立广（河北正元化工工程设计有限公司，河北石家庄050061）摘要：本文对压力容器开孔补强设计进行了分析，探究了几种比较常用的方法，并对其结构形式等进行了探究，以期为相关人员提供有益的参考。

关键词：压力容器；补强设计；技术探究在对压力容器进行设计时，需要考虑的因素比较多，包括容器制造、施工工艺、维修检测等。

同时，还需要对压力容器进行开孔操作，并将管子、凸缘等与孔洞进行连接。

但在实际开孔时，会对容器壳体的应力造成影响，导致孔边的部分区域存在明显的应力集中问题。

而在壳体与管子连接处会产生不连续的应力，且在不等截面的影响下，使得拐弯处也会存在应力集中的问题。

在这种情况下，使得开孔处附近存有高应力的情况，为了保障压力容器的质量，需要进行开孔补强设计，避免因应力的影响而出现质量隐患。

1优化开孔补强设计方法1.1等面积补强法该法是以受拉伸的大平板上开小圆孔为计算模型的，开孔边缘局部薄膜应力是保障开孔局部截面的静力强度或防止失稳。

同时，在对壳体进行补强时，需要以补强一次产生的总平均应力为基准。

若开孔较小时，其应力集中系数也比较小，且开孔附近的应力以薄膜应力为主。

由此可知，其假设条件成立，可以应用在补强工作中。

但逐渐增加开孔直径时，会使得开孔附近的应力集中系数增大，孔边存在很大的薄膜应力，还存在很高的弯曲应力，因此使用等面积补强计算时，各种壳体上所允许开孔的最大直径应符合GB/T150.3-20116.1.1条规定。

1.2分析法GB/T150.3-2011中6.6节“圆筒径向接管开孔补强设计的分析法”是根据弹性薄壳理论得到的，在进行设计时，需要对塑性极限以及安定进行分析，从而获得实际数值。

同时，可采用一次加载和反复加载的方式，保障塑性承载能力与安定的适宜性，以提高壳体开孔的安全性。

利用分析法模型假定接管和壳体是连续的整体结构，因此在使用分析法时，接管及加强件与壳体应为全焊透结构且整个补范围的焊接接头不得存在超标缺陷。

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压力容器开口补强及其在耐压试验工况
下的应力校核
摘要：阐述等面积法开口补强原理，并对及其在耐压试验下的校核提出分析
讨论。

关键词：开口补强耐压试验压力应力校核
由于工艺操作及壳体结构的要求，压力容器经常需要在壳体或封头上开孔。

开孔不仅会削弱结构本身的强度，同时也会因结构的不连续产生较大的应力集中，开口接管的应力校核是保障压力容器安全运行的重要环节。

在压力容器的设计中，一般可以把应力分为三类：一次应力、二次应力、峰
值应力。

[1]压力容器的开口接管处理论上同时存在这三种应力。

等面积法补强是
以两边受拉伸的无限大平板开小孔的应力集中作为理论基础的，补强准则是开孔
截面的许用拉伸应力大于未开孔时该处的许用拉伸应力，仅涉及一次应力问题。

该法对二次应力通过开孔大小、长短径比值和开孔率来加以限制，认为在满足标
准要求的范围内，二次应力不会对容器造成破坏。

对于峰值应力，等面积法没有
考虑，所以标准要求等面积法不能用于疲劳容器。

即在标准要求的适用范围内，
等面积法的设计过程仅是对一次应力的补强过程，本文在此基础上进行以下讨论。

GB/T150-2011[2]并未对耐压试验工况下壳体的开口补强校核做强制性要求，
标准规定，只有当耐压试验压力大于标准要求的最小值时，才应在耐压试验前，
校核各受压元件在试验条件下的应力水平，并提出了壳体元件的应力校核条件。

但是标准要求的试验压力最小值超过了正常操作时的设计压力值，在此情况下不
要求耐压试验应力校核是否合理？我们通过以下讨论说明。

内压工况下，GB/T150-2011[2]要求的耐压试验最小值为：
(1)
液压试验y的取值为1.25。

液体耐压试验的压力为，可以看做设计温度和试验温度下压力的折算，而液压实验的超压试验性，主要体现在系数1.25上，现从以下几方面加以阐述和论证。

一、弹性失效准则下的筒壁应力分析
根据拉美公式，仅受内压的圆筒筒壁的应力分布见表1：
表1 内压工况厚壁圆筒筒壁应力值
内壁
处
外壁处
注：表中为所受内压，，
将表1三个主应力分别代入常规设计的弹性失效设计准则：最大拉应力准则、最大切应力准则、形状改变比能准则，得到相应准则下应力强度和径比计算公式，同时将中径公式的相应参数汇总，见表2所示。

表2 按弹性失效准则的内压厚壁圆筒强度计算式
应力强度
其中为许用应力
当表2应力强度等于材料的屈服强度时，所对应的内压P= ,代表了圆筒的弹性承载能力，与径比K的关系见图1所示。

图1 各种强度理论比较图
由图1可知，当K值较小时，三种强度准则和中径公式计算结果相差不大，形状改变比能准则与实际数值最为接近，我们用形状改变比能准则的应力水平代表实际应力水平，当径比K=1.5时，实际应力强度b与中径公式代表的应力强度a的比值为：
(2)
公式(2)明当K=1.5时，实际应力水平是中径公式代表应力水平的1.25倍。

二、安全系数与许用应力
压力容器的许用应力是受压元件的许用强度，取材料失效判据的极限值与相应安全系数的比值。

按照TSG21-2016[3]的要求，常规设计方法且厚壁容器用钢的屈强比通常大于0.58，则许用应力
(3)
公式(3)表明：按中径公式计算出的厚度能满足许用应力时，至少留有1.57
倍的裕量。

三、耐压试验试验压力可靠性讨论
压力容器的安全运行是通过设计、制造、操作等多重环节的合理规范保证的，单纯的应力校核并不能保证容器的安全运行，但应力校核的合格是容器安全运行
的前提。

液压试验 ,该1.25倍的系数与中径公式自身偏差的最大值1.25
倍叠加之后，液压实验时，筒体应力水平为
(4)
公式(4)表明，当K<1.5时，按规范要求的最小值操作的耐压试验下设备器
壁的应力不会超过材料的屈服极限，在此情况下，设备是安全的。

即标准未强制
要求耐压试验工况的应力校核是合理的。

四、特殊情况及超压试验时的应力校核
对于介质为气态、高耸塔类容器立置水压试验，或耐压试验压力值大于标准
规定的最低试验压力时，应对各受压元件进行应力校核。

此情况相当于前述公式(4)液压试验的系数1.25增大，结果可能会导致耐压试验时，筒体器壁的应力水
平超过材料的屈服极限，存在安全隐患。

所以，此情况下，应在耐压试验前对容
器的开口补强处进行应力校核，校核时的许用应力可取。

五、结论
1.等面积法的设计过程仅是对一次应力的补强和校核过程，必须在规范要求
的范围内使用等面积法。

2.当按照标准规定的最小压力值进行耐压试验校核时，不进行水压试验工况
的应力校核是可行的。

3.超压及特殊情况需要进行水压试验工况的应力校核时，包括开口补强在内的各受压元件均需校核。

参考文献
[1] 李世玉《压力容器设计》
[2] GB/T150-2011《压力容器》
[3]TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》。