第十二章 压力容器开孔与接管一. 重点1. 壳体开孔的压力特点2. 开孔接管的应力集中系数的定义3. 开孔补强的目的4. 开孔补强的结构及方法5. 等面积补强的原则6. 等面积补强计算面积有哪些? 二. 壳体上开孔的原因 三. 壳体上开孔后产生的问题1. 开孔后,造成壳壁不连续,在孔边缘产生应力集中2. 接管后,壳体与管的结构不连续,产生的附加弯应力3. 壳体接管的拐角处,由于r 引起的局部应力.结果:使孔附近的应力比薄膜应力大5-6倍,产生疲劳破坏和脆裂12.1 容器壳体开孔时的应力分析一.平板开小圆孔的应力分析 分析条件: 板长,宽>>孔径2a 载荷q//作用于板上1. 单向拉伸时的应力分析(1) 孔区附近的应力解 (12-1)式 利用弹性力学理论解知(2) 孔边缘处的应力特点: ①r=a 时 孔边缘处的应力⎪⎩⎪⎨⎧-===)2cos 21(00θστσθθq r r②r=a 时 孔边缘处的周向应力分布特点:qq q q 320=±=-==θθσπθσπθ方向的时，垂直于当方向的时，平行于、当③r>a 时θσ随r 的增大而迅速减小.由(12-1)式可知. 2. 双向拉伸时的应力分析: 二.薄球壳开小孔的应力分析1.分析对象:在开孔区域的壳近似板较小较大球半径≈⎪⎩⎪⎨⎧==qq q DR 21δ 2.孔区附近的应力解利用q q q ==21代入(12-4)可知(12-5),即112222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θθτσσr r r a q r a q 3. 孔边缘处的应力特点:①当r=a 时,孔边缘应力⎪⎩⎪⎨⎧====max 200σστσθθq r r②孔边缘应力θσ=孔区域薄膜应力q 的2倍. 四. 圆筒壳开小孔1.分析对象: k 较大, D /δ较小, )2(221φθσσ== q q2.应力解: 利用212q q =代入(12-4)可知(12-6)3.孔边缘处的应力特点: (1)当r=a 时⎪⎩⎪⎨⎧-===)2cos 23(02θστσθθq r r (2)θσ在孔边缘r=a 处的分布规律:⎪⎩⎪⎨⎧==±====2max 2min 20q q σσπθσσπθθθ时，当时，、当说明:max θσ比孔口区域筒壳中θσ大2.5倍.(θσ212112==q q ) 五. 平板开椭圆孔的应力分析 1.单方向受拉伸时的应力分析(1)长轴平行于受拉方向时:①孔口处r=a 时的应力解(12-8)由于其应力表达式较复杂,仅给出最重要的孔口应力表达式,即⎩⎨⎧-===)812(0θθστσr r②特点:孔口处的θσ分布规律:)21(201max1min ab q q +==±=-===θθθθσσπθσσπθ时，在短轴的两端当时，在长轴两端、当(2)长轴a 垂直于受拉方向时 ①孔口处的应力解(12-9) ②孔口处的θσ分布规律2min 2max 2)21(0q b aq -==±=+===σσπθσσπθθθ时，在短轴两端：当时，在长轴两端：、当:2.双向受拉伸时的应力分析 122q q =(1)孔口处的应力解:由(12-8)与 (12-9)叠加即知(12-10) (2)孔口边缘处的θσ分布规律(特点)由(12-10)可知: 在长轴的两端 212m a x )25.0()21(q b aq b a q +=-+==σσθ 在短轴的两端 21min)21(q abq -+==σσθ说明:开椭圆孔时,最大应力在孔边缘πθ、0=处(在长轴两端)§12.2 开孔接管处应力集中系数的计算一.开孔接管时的应力集中1.壳体上开孔与平板开小孔有以下差别:(1)开孔不是小孔. 如:人手孔 .故开小孔的假设不成立其理论不能运用.(2) 容器壳体是曲面,与平板不同. 因为在开孔处由于曲面的影响,壳体存在弯曲应力 (3)容器开孔接管后,接管对开孔边缘有约束作用.而平板开小孔理论,没有考虑接管约束问题,所以对 开孔接管问题,必须寻求新的分析方法. 2.接管区的应力分析(1)利用”力法”可求出该区域的应力分布情况和应力值 “力法”:根据平衡,几何和物理方程(2)根据理论计算和实际结果,查接管区的应力分布图12-7 二开孔接管处的应力集中系数计算1. 应力集中系数K 的概念: (1)作用: 求接管处的最大应力峰值max σ(2)定义: 壳体基本薄膜应力设备实际最大应力=K如:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===n ini pD K pD K K δσδσσσθ44max max max筒壳：球壳：2. K 的确定方法(1)应力指数法 ①K 的大小: 查表12-1 ②:适用条件 P 235 (1)-(4) 注:径向接管:接管轴线与壳体半径同一方向 非径向接管:轴线与壳体半径不同方向(2)应力集中系数曲线: ①曲线形成: 由理论与实践综合绘出 ②适用条件: 不能用指数法时采用 ③曲线种类: 图12-12 球壳 平齐 图12-13 球壳 内入 图12-14 圆壳 平齐④曲线适用条件:⎪⎩⎪⎨⎧≤≤≤≤150304.001.0n R R r δ当n R δ<30时,表明壳体很厚,则K 取的比曲线值小 当n Rδ>150时,壳体很薄,则K 取的比曲线值大些.因为开孔造成弯曲应力效应大. 3. 应力集中系数曲线的推广应用 (1) 可用于补强壳体 注意:利用曲线查K 时,将nntδδ改用n t n δδ'nt δ为接管厚度, t n 'δ为加强后的厚度将开孔系数ρ中的n δ改用'n δ 查'n δ下的K 值 (2) 椭圆封头上开孔的K. 不同点:当量半径R=K 1R i其中:R 是封头的当量半径; K 1是修正系数,与a/b 有关,查表12-2, R i 是封头内半径.§12.3 开孔补强设计一.开孔补强的概念1.开孔补强的目的:降低开孔接管处的应力峰值.因为容器的强度条件[]φσσ⋅≤tmax ,所以应力峰值降低,设计时[]tσ降低,n δ降低.[]ctic p D p -=φσδ22.开孔补强设计的定义:为降低应力集中系数,而作的计算与结构设计 二.补强结构(补强元件类型)1.加强管补强 (1)结构 图12-15.(d),(f) 即在开孔处焊接一段加厚的接管 (2)特点:环焊缝少.易探伤,结构简单 (3)适用范围:低合金钢,高压设备2.整体锻件补强: (1)结构:图12-15 (g),(h),(i) (2)特点: 优: 对焊,易探伤 抗疲劳性能好 缺: 成本高,加工难 (3)适用范围:高压 重要设备 (3)加强圈的补强: ①结构: 图12-15. (a),(b),(c) ②特点: 优:简单,易加工,使用经验丰富 缺:抗疲劳性能差,热应力大,K 大. ③适用范围: P 241 ⎪⎩⎪⎨⎧≤≤≤385.1540un s MPa σδσσ补三:壳体开孔的有关规定1. 允许不补强时开的最大孔直径 P 242.(1)-(4) ① P c ≤2.5MPa②开孔中心距A>=两孔直径和的2倍. )(221φφ+≥A ③接管外径d 0<=89mm④接管最小壁厚min σ满足表内要求.2. 壳体上允许开的最大孔直径d max , P 242.(1)-(3)(1) 圆筒⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≤≤≤≤≤≤m m D d D m m D d D i i i i 10003150052021500max max且时，且时， (2) 凸形封头与球壳的2max iD d ≤(3) 锥壳或锥形封头的3max i Dd ≤(D i 为开孔中心处的锥壳内径)注:椭圆,碟形过度段部分开孔时,孔中心线垂直于封头表面. 四.等面积补强计算方法1.各国压力容器规范主要采用的准则(补强准则的种类)]因为补强的目的是降低开孔接管处的应力值,对这个应力值限制在什么范围内,就出现了各种补强准则.(1) 等面积补强准则 (2) 极限分析法 (3) 安定性理论(4) 其它方法: 实验屈服法实验应力法等 2常用的开孔补强准则-----等面积补强准则 3等面积补强的原则在补强区(在邻近开孔处附近处)所加补强材料的截面积A 0应与开孔而失去的截面积A 相等.即A 0=A其含义:在于补强壳壁的平均强度,用开孔等面积的外加金属来补强被削弱的壳壁强度. 4.等面积补强计算方法. P 243 (1)判断是否要补强计算满足不另行补强的最大开孔直径的条件者,不补强 (2)计算开孔失去的面积A. （3）确定补强区的有效范围 有效宽度ntn d B dB δδ222++== 取大值有效高度h 外伸长度dh nt δ=1内伸长度ntd h δ=2 取小值 （4）计算有效补强面积0A43210A A A A A +++=1A ——壳体承受内压或外压所需设计厚度之外的的多余金属面积 )1)()((2)(1r e nt e f c d B A ------=δδδδδ）（2A ——接管承受内压或外压所需的设计厚度d δ之外的多余金属面积 r nt r d nt f c c h f c h A )(2)(22212--+--=δδδ其中 )(d e δδ 计算设计厚度c 厚度附加量 21c c c +=r f 强度削弱系数3A ——补强区焊缝面积2)21(3⨯⨯=高底A4A ——补强区内另加的补强面积（加强圈面积）（5）判断 当A A A A A ≥++=3210时， 不用补强。
当A A A A A <++=3210时，需补强。
（6）补强圈面积4A 的计算⊂ 当壳补][][δδ=，)(3214A A A A A ++-≥ ⊆ 当壳补][][δδ>，04A A A -= ∈ 当 壳补][][δδ<， )(][][14A A A -=壳补δδ（7）补强圈的设计⊂ 补强圈的外径 B D 有效宽度≤如 308=B 则由表12-3可知。
补强圈 3000=D⊆ 厚度 'δn d D A δδ5.1)('4≤-=若 n δδ5.1>， 采用补强圈不合适，该用其他方法补强。