压力容器开孔及补强设计
压力容器开孔补强设计
内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤
，且d≤520mm；
内径Di＞1500mm时，开孔最大直径d≤
，且d≤1000mm。
*
中心处的锥壳内直径。
b. 凸形封头或球壳上开孔最大直径d≤
。
c. 锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径d≤
，Di为开孔
d. 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。
4.3.5 开孔和开孔补强设计
4.3.5 开孔和开孔补强设计
补强材料一般需与壳体材料相同，若补强材料许用应力小于壳体材料许用应力，则补强面积按壳体材料与补强材料许用应力之比而增加。若补强材料许用应力大于壳体材料许用应力，则所需补强面积不得减少。
要求：
孔周边会出现较大的局部应力，采用分析 设计标准中规定的方法和压力面积法等方 法进行分析计算。
表4-14 不另行补强的接管最小厚度 mm
6.0
5.0
4.0
3.5
89
76
65
57
48
45
38
32
25
接管公称外径
最小厚度
*
四、等面积补强计算
GB150对开孔最大直径的限制：
主要用于补强圈结构的补强计算。
基本原则：
使有效补强的金属面积，等于或大于开孔 所削弱的金属面积。
（1）允许开孔的范围
图4-37 （b）厚壁接管补强
高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该结构，但必须保证焊缝全熔透。
应用
4.3.5 开孔和开孔补强设计
*
过程设备设计
厚壁接管补强
开孔和开孔补强设计
过程设备设计
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。
第十二章压力容器的开孔补强
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。
容器的开孔补强
容器的开孔补强
一、开孔应力集中现象及其原因
由于各种工艺、结构、操作、维护检修等方面的要求，需要在压力容器上和封头上开孔或安装接 管。例如人孔、手孔、介质的出入口等。容器开孔之后，由于器壁金属的连续性受到破坏，在 孔边附近的局部地区，应力会急剧增加。这种局部的应力增长现象，称为“应力集中”。在应
力集中区城的最大应力值，称之为“应力峰值”。
容器的开孔补强
二、开孔补强设计Hale Waihona Puke 原则与补强结构1．补强设计原则
(1)等面积补强法的设计原则 (2)塑性失效补强原则
2．补强形式
目前采用的补强形式主要有：①内加强平齐接管；②外加强平齐接管；③对称加 强凸出接管；④密集补强
3．补强结构
(1)补强圈补强结构 (2)加强元件补强结构
(3)整体补强结构
4．等面积补强法的设计
(1)开孔有效补强范围的计算 (2)补强面积的计算
容器的开孔补强
环保设 备
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。
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精品文档4页
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。
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。
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平板开椭圆孔的应力集中
1、几点结论
•在球壳上开圆孔的应力集中系数（ ）小于开
椭圆孔的应力集中系数（
）
•在圆柱壳上开圆孔时的应力集中系数（
）
•若要开设椭圆孔，则应使椭圆孔的长轴与壳体
轴线垂直此时（
）
压力容器开孔及补强设计
内压壳体开孔的应力集中
•由于开孔后多焊有不同厚度的接管，应力集中系 数比较复杂，采用理论计算和实验测定相结合的 办法。
•当 越大，即开孔直径越大时应力集中系数越高。 相反，减小孔径，增大壳壁厚度均可降低应力集 中系数。 •内伸式接管的应力集中系数较低，尤其是内伸接 管壁厚较厚时能有效地降低应力集中。
压力容器开孔及补强设计
内压壳体开孔的应力集中
过小或过大时上述曲 线均会有较大的误差
球壳带平齐式接管的应力集中系数
壳壁过厚，即 过 小时，应力沿壁厚分 布的不均匀性增大， 应力集中系数将明显 比图示值减小
(mm)
检查孔最少数 量
检查孔最小尺寸(mm)
人孔
手孔
备注
300-500 500-1000
>1000
手孔2个
人孔1个或手孔 2个(当容器无法
开人孔时)
人孔1个或手孔 2个(当容器无法
开人孔时)
Ф400或长 圆孔
400×250， 380×280
Ф400或长 圆孔
400×250， 380×280
Ф75或长 圆孔
•（2）两相邻开孔中心的距离(对曲面间距以弧长计算)应 不小于两孔直径之和的两倍；
•（3）接管公称外径小于或等于89mm；
•（4）接管最小壁厚满足下表3-9的要求。
接管公称 外径
25 32 38 45 48 57 65 76
89
最小壁厚
3.5
4.0
5.0
6.0
钢材的标准抗拉强度下限值 ＞540MPa，接管与壳体宜采用全焊透的结构型式。接管
压力容器开孔及补强设计
内压壳体开孔的应力集中
球壳带内伸式接管的应力集中系数
压力容器开孔及补强设计
开孔分析的几点结论
1、开孔的应力集中区域属于局部应力，衰减 很快，作用范围在 量级。
2、孔边应力最高，故在孔边补强最有效。
3、球壳上开孔的应力集中小于柱壳上的应力 集中。球壳Kt=2 圆柱壳Kt=2.5 4、在双向应力作用下,圆柱壳开孔边缘经向 截面的应力集中比周向截面的应力集中大得多.
压力容器开孔及补强设计
平板开小圆孔的应力集中
1、单向拉伸应力作用
孔边应力集中及 局部性的特点
压力容器开孔及补强设计
平板开小圆孔的应力集中
2、两向拉伸应力作用
，
结论：圆筒开孔应力集中系数比球壳开孔应力集中系数大
压力容器开孔及补强设计
平板开椭圆孔的应力集中
1、单向拉伸应力作用
压力容器开孔及补强设计
（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
压力容器开孔及补强设计
适用的开孔范围
壳体上开椭圆孔长短半轴之比小于2。 理由：
等面积补强未计及开孔边缘的应力集中问题，仅 就开孔截面的边缘应力进行考虑，对开孔区局部高应 力的安定问题未加以考虑。
75×50
Ф100或 长圆孔 100×80
Ф150或 长圆孔 150×100
球罐人孔 最小
500mm
压力容器开孔及补强设计
不需要补强的最大孔径
1、GBl50《钢制压力容器》对不需另行补强的最大
开孔直径的最新规定，当壳体开孔满足下述全部要 求时可允许不需另行补强。
•（１）设计压力小于或等于2.5MPa；
压力容器开孔及补强设计
开孔补强的设计准则
安定性补强设计准则
它不涉及塑性分析方法而仅用弹性分析方法对结构进 行弹性应力分析，但允许接管部位的应力超过材料的屈 服强度，从而局部材料会进入塑性状态，但控制该最大 弹性虚拟应力不得超过一定限度仍可保证安全。 用 (英国用 )来限制开孔部位最大应力值(按弹性分析 得出的)的准则称为安定性设计准则
压力容器开孔及补强设计
压力容器开孔的强度问题
1、容器开孔对局部薄膜应力的影响
• 在压力作用下,壳体内存在着薄膜应力.壳体开 孔后使承载截面减小，使该截面的平均应力增加, 而且在开孔边缘的应力分布极为不均匀,随着距离 增加,应力增加逐渐减少.在孔边缘产生的薄膜应力 称为局部薄膜应力.
2、局部弯曲应力
平板开椭圆孔的应力集中
2、双向拉伸应力作用
椭圆孔的长轴与拉伸应力的 方向一致
当 的方向一致
相当于在球壳上开椭圆孔 相当于在圆柱壳上开椭圆孔
压力容器开孔及补强设计
平板开椭圆孔的应力集中
2、双向拉伸应力作用
椭圆孔的长轴与拉伸应力的 方向垂直
当
相当于在球壳上开椭圆孔
相当于在圆柱壳上开椭圆孔
压力容器开孔及补强设计
•接管和壳体在应力作用下变形不一致,由于变形 协调,在相贯处产生一对剪力和弯矩,从而在壳体 开孔边缘和接管端部的局部弯曲应力.
压力容器开孔及补强设计
容器开检查孔的有关规定
为检查压力容器在使用过程中是否产生裂纹、变形、 腐蚀等缺陷，压力容器应开设检查孔。检查孔包括人 孔和手孔.手孔应开设在封头上或封头附近的筒体上
的腐蚀裕量为1mm。
压力容器开孔及补强设计
适用的开孔范围
壳体上开孔直径越大，则开孔系数ρ越大，应力 集中系数也越大。因此，我国GB150《钢制压力容器》 中对开孔直径的最大值加以限制。
（1）圆筒开孔的限制，当内径Di ≤1500mm时，开 孔最大直径d≤1/2Di ，且d≤520mm；
当内径 >1500mm时，开孔最大直径d≤ 1/3Di ，且 d≤1000mm。压力容器开孔及来自强设计开孔补强的设计准则
等面积补强准则
认为在有效的补强范围内，壳体除本身承受内压所 需截面积外的多余截面积不应少于开孔所减少的有效截 面积
极限分析补强设计准则
由于开孔只造成壳体的局部强度削弱，如果在某一压 力载荷下容器开孔处的某一区域其整个截面进入塑性状 态，以至发生塑性流动，此时的载荷便为极限载荷。以 极限载荷为依据来进行补强结构设计，即以大量的计算 可以定出补强结构的尺寸要求，使其具有相同的应力集 中系数，这就是极限分析补强设计准则
压力容器开孔及补强设 计
2020/11/14
压力容器开孔及补强设计
压力容器开孔及补强设计
1、容器开孔接管后在应力分布与强度方面将的影响
•开孔后使承载截面减小，承载材料的削弱。 •破环了原有的应力分布，造成孔边缘局部的应力集中。 •接管处容器壳体与接管形成不连续结构而产生边缘应力
2、应力集中系数
•若未开孔时的名义应力为 ,开孔后按弹性方法 计算出的最大应力若为 ，则弹性应力集中系数 的定义为