压力容器的开孔与接管.doc

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0r(2)孔边缘处的应力特点 :①r=a 时孔边缘处的应力0rq(1 2cos2 )②r=a 时孔边缘处的周向应力分布特点:当当0、时，平行于 q 方向的q时，垂直于 q 方向的3q2③r>a时随 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 球半径 R较大1.分析对象 :D较小在开孔区域的壳近似板q1 q2q2.孔区附近的应力解利用 q q q代入 (12-4)可知 (12-5),即12a 2q 1rr 2a 2r 2q 10r0r3.孔边缘处的应力特点 :①当 r=a时,孔边缘应力0r2qmax②孔边缘应力=孔区域薄膜应力 q的 2倍.四.圆筒壳开小孔q 2q2(12 )1.分析对象 : k较大 ,/ D较小 ,2.应力解 :利用 q 2q代入 (12-4)可知 (12-6)1 20r3.孔边缘处的应力特点 : (1)当 r=a时0rq (3 2cos2 )2当0 、时，q2q2min(2)在孔边缘 r=a处的分布规律 :当时，max2112说明 :比孔口区域筒壳中大 2.5倍.( q2q1)max2五.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)0rr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(12 8)②特点 :孔口处的分布规律 : 当当0、时，在长轴两端q1min2ba时，在短轴的两端q (11)max2(2)长轴 a垂直于受拉方向时①孔口处的应力解 (12-9)②孔口处的分布规律2ab当当0、时，在长轴两端：q (1):max2时，在短轴两端：q2min22.双向受拉伸时的应力分析(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 分布规律 (特点 )q 2q122a) q (0.52abq (12)q2由(12-10)可知 :在长轴的两端m a x1b2b) q2a在短轴的两端q (11min0、说明 :开椭圆孔时 ,最大应力在孔边缘处(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所以对开孔接管问题 ,必须寻求新的分析方法 ..而平板开小孔理论 ,没有考虑接管约束问题 ,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二开孔接管处的应力集中系数计算12-71.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 设备实际最大应力壳体基本薄膜应力K(2)定义 :pDi球壳：筒壳：KK如:maxmax4nKmaxpDi4n2. K的确定方法(1)应力指数法①K的大小 :查表 12-1② :适用条件 P235(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r0.01300.4R④曲线适用条件 :R150nR当当<30时,表明壳体很厚 ,则 K取的比曲线值小>150时,壳体很薄 ,则 K取的比曲线值大些 .nnR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nt改用nt注意 :利用曲线查 K时,将nn为接管厚度 ,为加强后的厚度ntnt将开孔系数中的改用查下的 K值nnn(2)椭圆封头上开孔的 K.不同点 :当量半径 R=K1Ri是修正系数 ,与 a/b有关 ,查表 12-2, R是封头内半径 .i其中 :R是封头的当量半径 ; K 1 §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.tt降低 ,因为容器的强度条件,所以应力峰值降低 , 设计时降低 .nmaxp Dict2pc2.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540MPas.③适用范围 : P2411.538补nu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 .(1)-(4)242① P≤ 2.5MPac②开孔中心距 A>=两孔直径和的 2倍 .A 2( 1)2③接管外径 d <=89mm0 ④接管最小壁厚.满足表内要求min2.壳体上允许开的最大孔直径dmax 242, P .(1)-(3)D i且2D i 1500时， d maxD i 1500时， d max520m m(1)圆筒D i且 1000m m3Di(2)凸形封头与球壳的 dmax(3)锥壳或锥形封头的 dmax2Di(Di为开孔中心处的锥壳内径)3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应与开孔而失去的截面积0A相等 .即 A =A0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 . P243.(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B 2d有效宽度取大值B d 22ntn ddnth取小值内伸长度h1nth2有效高度外伸长度A0（4）计算有效补强面积A A A A A40123A1——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A（B d）( e1) 2(c)()(1 f )rnteA2——接管承受内压或外压所需的设计厚度之外的多余金属面积dA 2h1(2c) f 2h2(rc c ) f r2ntdnt( )d其中计算设计厚度ecc c c21厚度附加量f r强度削弱系数A3——补强区焊缝面积1A (底高) 232A ——补强区内另加的补强面积（加强圈面积）4（5）判断当 A A A A A 时，不用补强。

0123A A A A A时，需补强当0123A4（6）补强圈面积的计算当[ ]补 [ ]壳， A4 A (A A2 。