壓力容器設(shè)計(jì) 開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

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1、4.3常規(guī)設(shè)計(jì)4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)4.壓力容器設(shè)計(jì)CHAPTERⅣDesignofPressureVessel1壓力容器開孔2壓力容器開孔3開孔帶來的問題削弱器壁的強(qiáng)度產(chǎn)生高的局部應(yīng)力4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)mmnn壓力容器的輕型化發(fā)展使其顯得越加嚴(yán)重！4開孔接管根部應(yīng)力集中的特點(diǎn)應(yīng)力集中的范圍是很有限的d/D越大，應(yīng)力集中越嚴(yán)重δ/D越小，應(yīng)力集中越嚴(yán)重增大接管壁厚，可減小應(yīng)力集中球殼上開孔的應(yīng)力集中小于柱殼上開孔的應(yīng)力集中5應(yīng)力集中對容器安全使用的影響應(yīng)力集中局部塑性變形疲勞裂紋破裂交變載荷6一

2、、補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部補(bǔ)強(qiáng)整體補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)整鍛件補(bǔ)強(qiáng)4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)7（1）補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)：補(bǔ)強(qiáng)圈貼焊在殼體與接管連接處，見（a）圖。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，使用經(jīng)驗(yàn)豐富；圖4-37（a）缺點(diǎn)：1）與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，在中溫以上使用時(shí)，存在較大熱膨脹差，在補(bǔ)強(qiáng)局部區(qū)域產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力；2）與殼體采用搭接連接，難以與殼體形成整體，抗疲勞性能差。4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)8一般使用在：靜載、常溫、中低壓、材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度低于540MPa、補(bǔ)強(qiáng)圈厚度小于或等于1.5

3、δn、殼體名義厚度δn不大38mm的場合。應(yīng)用：HG21506-92《補(bǔ)強(qiáng)圈》，JB/T4736-95《補(bǔ)強(qiáng)圈》標(biāo)準(zhǔn)：4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)9（2）厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)：在開孔處焊上一段厚壁接管，見（b）圖。特點(diǎn)：補(bǔ)強(qiáng)處于最大應(yīng)力區(qū)域，能更有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)。接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡單，焊縫少，焊接質(zhì)量容易檢驗(yàn)，補(bǔ)強(qiáng)效果較好。圖4-37（b）高強(qiáng)度低合金鋼制壓力容器由于材料缺口敏感性較高，一般都采用該結(jié)構(gòu)，但必須保證焊縫全熔透。應(yīng)用：4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)10圖4-37（c）（3）整鍛件補(bǔ)強(qiáng)整體鍛件4.3.5

4、開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)11補(bǔ)強(qiáng)金屬集中于開孔應(yīng)力最大部位，能最有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)；可采用對接焊縫，并使焊縫及其熱影響區(qū)離開最大應(yīng)力點(diǎn)，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低10～15%。重要壓力容器，如核容器、材料屈服點(diǎn)在500MPa以上的容器開孔及受低溫、高溫、疲勞載荷容器的大直徑開孔容器等。結(jié)構(gòu)：將接管和部分殼體連同補(bǔ)強(qiáng)部分做成整體鍛件，再與殼體和接管焊接，見（c）圖。優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：鍛件供應(yīng)困難，制造成本較高。應(yīng)用：4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)12二、開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則指采取適當(dāng)增加殼體或接管厚度的方法將應(yīng)力集中系數(shù)減小

5、到某一允許數(shù)值。開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)：開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則——等面積補(bǔ)強(qiáng)法塑性失效準(zhǔn)則—極限分析法4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)13（1）等面積補(bǔ)強(qiáng)定義：殼體因開孔被削弱的承載面積，須有補(bǔ)強(qiáng)材料在離孔邊一定距離范圍內(nèi)予以等面積補(bǔ)償。原理：以雙向受拉伸的無限大平板上開有小孔時(shí)孔邊的應(yīng)力集中作為理論基礎(chǔ)的，即僅考慮殼體中存在的拉伸薄膜應(yīng)力，且以補(bǔ)強(qiáng)殼體的一次應(yīng)力強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。故對小直徑的開孔安全可靠。問題：沒有考慮開孔處應(yīng)力集中的影響，沒有計(jì)入容器直徑變化的影響，補(bǔ)強(qiáng)后對不同接管會(huì)得到不同的應(yīng)力集中系數(shù)，即安

6、全裕量不同，因此有時(shí)顯得富裕，有時(shí)顯得不足。優(yōu)點(diǎn)：長期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，簡單易行，當(dāng)開孔較大時(shí)，只要對其開孔尺寸和形狀等予以一定的配套限制，在一般壓力容器使用條件下能夠保證安全，因此不少國家的容器設(shè)計(jì)規(guī)范主要采用該方法，如ASMEⅧ-1和GB150等。4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)14帶有某種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的接管與殼體發(fā)生塑性失效時(shí)的極限壓力和無接管時(shí)的殼體極限壓力基本相同。（2）極限分析補(bǔ)強(qiáng)定義：4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)15焊接接頭系數(shù)小于1但開孔位置不在焊縫上等等三、允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑強(qiáng)度裕量接管和殼體實(shí)際厚

7、度大于強(qiáng)度需要的厚度接管根部有填角焊縫上述因素相當(dāng)于對殼體進(jìn)行了局部加強(qiáng)，降低了薄膜應(yīng)力從而也降低了開孔處的最大應(yīng)力。因此，對于滿足一定條件的開孔接管，可以不予補(bǔ)強(qiáng)。4.3.5開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)16四、等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算GB150對開孔范圍的要求：主要用于補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算開孔部位允許開孔孔徑筒體Di≤1500mm：d≤Di/2，且不大于520mm；Di>1500mm：d≤Di/3，且不大于1000mm凸形封頭d≤Di/2平板形封頭d≤Di/2錐形封頭d≤Di/3注：此處的Di是指開孔中心處錐體內(nèi)直徑（1）對開孔

8、直徑的限制17（2）在橢圓封頭或碟形封頭過渡部分開孔時(shí)，其孔的中心線宜垂直于封頭表面（3）盡量不在焊縫上開孔，如果避不開必須在焊縫上開孔時(shí)，則在開孔中心為圓心，以1.5倍開孔直徑為半徑的圓中所包容的焊縫，必須進(jìn)行100%的探傷。3d100%探傷18在一定范圍內(nèi)能起補(bǔ)強(qiáng)作用，除了此范圍，則起不到補(bǔ)強(qiáng)作用。有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)：矩形WXYZ，見圖4-38。圖4-38（3）有效補(bǔ)強(qiáng)范圍4.3.5開孔和