熟悉等面积补强法的原理 掌握三种开孔补强结构

1. 第十二章 开孔补强与设备凸缘 熟悉等面积补强法的原理 掌握三种开孔补强结构

2. 设备的接管与凸缘 设备开孔的装置 人孔、手孔及检查孔

3. 第一节 开孔补强 一、问题的提出－容器接管附近的应力集中 （一）单向受拉平板小孔边缘处的应力集中现象

4. 开孔的“应力集中现象”： 在紧靠开孔边缘处的应力急剧增长，大于不受小孔影响处的应力 开孔应力集中的特点：局部性、衰减性 应力集中系数

5. （二）容器接管附近的应力集中 ①开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中，产生较大的局部应力。 ②由于在开孔处装有接管，作用在接管上的各种载荷所产生的应力，温度差造成的温差应力，以及容器材质和焊接缺陷等因素的综合作用，往往使开孔部位成为容器的破坏源。 容器开孔接管后，应考 虑对其进行补强设计。

6. 接管根部开孔边缘处的应力集中现象具有如下特点：接管根部开孔边缘处的应力集中现象具有如下特点： （1）应力集中的范围是极为有限的. （2）开孔孔径的相对尺寸d/D越大,应力集中情 况越严重,所以开孔不宜过大. （3）被开孔壳体的δ/D越小,应力集中越严重. 因此若将开孔四周壳体厚度增厚,则可以极大的 改善应力集中情况. （4）增大接管壁厚也可以减少应力集中。 （5）开孔开在球形封头上，优于开在壳体上。

7. 何谓开孔补强设计？补强能否消除应力集中？?何谓开孔补强设计？补强能否消除应力集中？? • 开孔部位的应力集中引起壳体局部的强度削弱，所谓“开孔补强设计”是在开孔附近区域增加补强金属，使之达到提高器壁强度，满足强度设计要求的目的。 • 经补强后的接管区可以使峰值应力降低，但不能消除应力集中。

8. 二、补强结构 因为开孔应力集中是局部的，衰减的，因此补强也可以是局部的，即只在孔边附近设置补强元件，就可以达到降低应力集中的目的。

10. （1）补强圈补强（中、低压容器） 补强圈补强－在壳体开孔周围贴焊一圈钢板，即补强圈。补强圈的材料一般与器壁相同，补强圈的内、外径可参照标准确定，厚度则需按——等面积补强原则进行计算。

11. (1)补强圈搭接结构 补强圈补强又称贴板补强，在接管处容器的内外壁上围绕着接管焊上一个圆环板，使容器局部壁厚增大，降低应力集中，起到补强的作用。 为检验焊缝紧密性，补强圈上有一个M10的小螺纹孔。从这里通入压缩空气进行焊缝紧密性试验。

12. (1)补强圈搭接结构 优点：制造方便，造价低，使用经验成熟丰富  缺点：补强区域过于分散，补强效率不高；补强圈与壳体或接管之间存在着一层静气隙，传热效果差，容易在两者间引起热应力；由于补强圈与壳体或接管没有形成一个整体，因而抗疲劳能力差；补强圈外缘与壳体的搭接填角焊缝处，外形尺寸突变，会引起不连续应力，此处的焊缝容易开裂。

13. GB150指出对采用补强圈结构补强时，应遵循下列规定：GB150指出对采用补强圈结构补强时，应遵循下列规定： ① 钢材的标准抗拉强度下限值  σb≤540MPa，以防止出现焊接裂纹； ② 补强圈厚度小于或等于1.5δn； ③ 壳体名义厚度δn≤38mm。

14. (2)补强管补强 常用于低合金钢容器或某些高压容器。  在开孔处用全焊透的结构形式焊上一段特意加厚的短管，使接管的加厚部分恰处有效补强区内，则可以降低应力集中系数。利用在补强有效区内管壁多余的金属来补足被挖去的壳壁承受应力所必须的金属截面。  补强管结构简单，只需一段厚壁管即可，制造与检验都方便，但必须保证全焊透。

15. （3）整锻件补强结构 整锻件补强－把补强圈金属与开孔周围的壳体金属熔合在一起来降低开孔附近的应力。  补强区更集中在应力集中区，能最有效地降低应力集中系数，而且全部焊接接头都采用对接焊缝，易探伤，易保证质量，所以这种补强结构的抗疲劳性能最好。缺点是锻件供应困难，制造繁琐，成本较高。 常用于σb ≥540MPa级的钢板制作的容器上及高压容器、核容器上等。

16. 三、容器上开孔及补强的有关规定 1. 当采用局部补强时，GB150－1998规定，筒体和封头上开孔的最大直径不得超过表12－6中的数值。

17. 三、容器上开孔及补强的有关规定 2. 尽量不要在焊缝上开孔，如果在焊缝上开孔，则在以开孔中心为圆心，以1.5倍开孔直径为半径的圆中所包容的焊缝，必须进行100％的探伤。

18. 三、容器上开孔及补强的有关规定 3. 在椭圆形或碟形封头上开孔时，应尽量开设 在封头中心部位附近。当需要靠近封头边缘开 孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面，并且 应使与孔边与封头边缘之间的投影距离不小于 0.1Di。任意两个相邻孔边边缘间连接的投影 距离至少等于小孔的直径。

19. 四、可不另行补强的最大开孔直径 容器开孔并非都要补强，因为常常有各种强 度富裕量存在： ①容器的实际厚度超过强度需要；焊接接头系数小于1，但开孔位置又不在焊缝上；封头的强度比圆筒大，但设计时又采用了与圆筒等厚等等。这些超过实际强度需要的部分，可视为容器被整体加强了。 ②接管的厚度往往大于实际需要，有较大的多余厚度，多余的金属起到了补强作用；接管根部有填角焊缝等等。

20. 四、可不另行补强的最大开孔直径 壳体开孔满足下列全部要求时，可不另行补强：  （1）设计压力小于或等于2.5MPa；  （2）两相邻开孔中心的间距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）不补强接管的外径及其最小厚度应符合表12－7。

21. 附：开孔补强设计 1.等面积补强：在有效补强范围内，在壳体的纵向截面上，补强材料的截面积必须大于或等于因开孔而削弱的截面积。A≥A0 优点：具有较大的安全裕量，比较安全可靠，使用方法简便。因此在中低压容器中，开孔不大时用得很普遍。 缺点：过于简化，没有计入容器直径的影响，例如相同大小的孔对大直径容器造成削弱就少，而对小直径容器造成的削弱就很大，对防止壳体的失效缺少均一的安全裕度。

22. 2.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。利用塑性力学方法对带有整体补强的开孔补强结构求解出塑性失效的极限载荷。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。

23. 有效补强区内焊缝金属截面积 有效补强区内另外增加的补强元件的金属截面积 开孔削弱的截面积A0 壳体计算壁厚外多余的金属面积A1 tn w X 接管计算厚度外的多余金属截面积 Z Y 等面积补强

24. 开孔削弱的截面积A0 壳体计算壁厚外多余的金属面积A1 有效补强区内另外增加的补强元件的金属截面积 接管计算厚度外的多余金属截面积 w X Y Z 有效补强区内焊缝金属截面积 1、开孔削弱的截面积：A0 管壁削弱的面积 接管的名义厚度

25. 2、有效补强范围 • 等面积补强法认为在右图中的WXYZ的矩形范围内补强是有效的。超过该范围的补强没有作用。

26. w X Y Z A2 A3 • 3、补强区内补强金属面积A • 有效补强区WXYZ内可作为有效补强金属的面积有以下几种： A4 A1

27. w X Y Z 3、补强区内补强金属面积A A3 A2 A4 A1

28. 以上是壳体上单个开孔的等面积补强方法，工程上有时还会碰到并联开孔的情况，如果各相邻孔之间的孔心距小于两孔平均直径的两倍，则这些相邻孔就不可以再以单孔论处，而应作并联开孔进行联合补强。另外还有开排孔、平板盖开孔的情况，其补强设计方法可按照《钢制压力容器》标准中第六章的相应规定进行。对于成型封头开孔大小超过Di/2时，也超出了等面积补强的规定适用范围，此时可采用“变径段”结构作过渡。以上是壳体上单个开孔的等面积补强方法，工程上有时还会碰到并联开孔的情况，如果各相邻孔之间的孔心距小于两孔平均直径的两倍，则这些相邻孔就不可以再以单孔论处，而应作并联开孔进行联合补强。另外还有开排孔、平板盖开孔的情况，其补强设计方法可按照《钢制压力容器》标准中第六章的相应规定进行。对于成型封头开孔大小超过Di/2时，也超出了等面积补强的规定适用范围，此时可采用“变径段”结构作过渡。

29. 第二节 设备凸缘 设备上的接口管与凸缘，既可用于装置测量、控制仪表，也可用于连接其他设备和介质的输送管道。 （一）接口管

30. （一）接口管 • 焊接设备的接口管长度

31. 第二节 设备凸缘 （二）凸缘 当接管长度必须很短时，可用凸缘(又叫突出接口)来代替接管。凸缘本身具有加强开孔的作用，不需再另外补强。缺点是当螺柱折断在螺栓孔中时，取出较困难。由于凸缘与管道法兰配用，因此它的联接尺寸应根据所选用的管法兰来确定。