12开孔补强与设备凸缘

内容概要第12章开孔补强与设备凸缘§1开孔补强§2设备凸缘返回一.容器开孔附近的应力集中（一）受拉平板上小孔边缘处的应力分布⒈开有小圆孔的平板（1）单向拉伸的平板如下图所示:rr442244224422223212sin2312cos2123412cos212aaqaqaqaaqaqrrr小圆孔距板边较远,半径为a。根据弹性力学理论推导出距孔心为ρ的点K的径向应力σr,切向应力σθ和剪应力τrθ:返回在小孔边缘,即ρ=a时:02cos210rrq即在小孔边缘只有切向应力σθ,其分布很不均匀,如图12-1。图12-1由公式可以看出,ρ增大,σr,会逐渐增大,但不会超过q,而σθ则随ρ值增加而迅速衰减,如图:r-qqq3,2,0时时综上所述，受单向拉力q的矩形平板，因开孔引起的最大拉应力出现在孔边，作用在过孔心并与q力垂直的截面上。最大压应力也出现在孔边，作用在过孔心与q力平行的截面上。（2）双向拉伸的平板当两向拉力不同时，在弹性变形范围内开孔附近应力可叠加求解。q1q22aγθ若平板受双向压力，则可用单向受压平板的上述结论分别计算q1和q2单独作用时的应力值，然后进行叠加。如：当q1q2时,可计算出最大切向应力在孔的边缘处，其值为：21max3qq2即最大应力总是在与较大的拉应力方向相垂直并通过孔心的截面上。当球壳直径较大，q1=q2时0112222rraqraq在r=a的孔边处σmax=σθ=2q，孔边应力高于原离孔区附近的均匀应力一倍。(3)回转壳体上开小圆孔在直径较大的薄壁圆筒上开小圆孔，此时q1=2q22sin32122cos3121232cos34121234422242222244222222raraqraqraqraraqraqrrrr在r=a处2cos23,0,02qrrθ=0，π时，σθmax=q2;θ=±π/2时，σθmax=5q2。σθmax比远离孔口区域圆筒壳中的周向应力大2.5倍。由此可知，孔边的应力远大于无孔时的应力，也远大于距孔边稍远处的应力，这种现象称孔边应力集中。孔边应力集中是局部现象，在几倍孔径以外，应力分布情况及数值大小都几乎与无孔时相同。一般讲，应力集中的程度越高，集中现象越是局部性的。⒉开有椭圆孔的平板abq1q1q2q2开有椭圆孔的平板受单向拉伸(q2=0),长轴与受力方向平行时,短轴两端切向应力最大,其值为:abq211max短轴与受力方向平行时,长轴两端切向应力最大,其值为:baq211max若平板受双向拉力,且q1q2,则当长轴与q1平行时,最大应力出现的区域需通过以下两式计算:在短轴两端:2121qabq1221qbaq在长轴两端:当椭圆长轴与较大外力q1方向垂直时,最大应力出现在长轴两端,其值为:21max21qbaq由此可见,最不利的是使椭圆的长轴与大的外力方向垂直。二、回转壳体上开小孔时所造成的应力集中以下讨论有两个前提:(一)孔的半径a相对于壳体的曲率半径R很小,壳体可近似当作平板。(二)开孔处未安装接管。若忽略壳体曲率的影响,则开小孔的球壳可近似看成开小孔受双向拉伸的平板,且(σ是球壳中的薄膜应力).221pRqq2pRm⒈球壳上开小圆孔于是,球壳上小孔边缘任一点的环向应力均为:2321maxqq球壳开孔边缘上的最大切向应力与该球壳环向薄膜应力之比称为应力集中系数,用K表示:22maxK⒉圆柱壳体上开小圆孔m2若忽略圆柱曲率影响(当a/R较小时),则可把圆柱壳看成双向受拉平板,且q1=σθ,q2=σm。孔边的最大应力出现在孔中心线所在的壳体纵向截面上,其值为:5.23321maxmqq应力集中系数(边缘地区最大应力与周向薄膜应力之比):5.2maxK可见，圆柱形壳体上开孔的应力集中系数比球形壳体的大，而且球壳上的薄膜应力比筒体的轴向薄膜应力小一半（当二者壁厚相等时),因此,具有球形封头的压力容器，若需开孔时，应尽量开在封头上。对于球壳:σθ=σm,所以不论椭圆孔的方向如何:baba221max22maxbaK⒊壳体上开小椭圆孔当接管的轴线方向和壳体开孔中心点的法线方向不一致时，壳体上需开椭圆孔。可见无论是球壳还是圆柱壳，如果接管的方向不垂直于壳体，将使孔边应力集中系数增大。对于圆柱壳:σθ=2σm,如果椭圆孔的长轴与壳体轴线平行,则:babam25.021max5.225.0maxbaK（二）容器接管附近的应力集中当容器上开孔较大,开孔后安装接管时,就必须考虑壳体自身的曲率半径及接管对开孔边缘处应力集中的影响。为方便使用，通常把各种不同尺寸的开孔接管附近的应力峰值，根据理论计算或通过实验实测出来，然后以应力集中系数的形式绘成曲线（旧教材图12-12，12-13）。曲线的横坐标ρ称为开孔系数RRr式中:r-开孔半径(接管半径,中径)R-壳体半径(中径)r/R-接管尺寸(即开孔)的相对大小R/δ与壳体刚度有关,壳体刚度越差,接管直径越大时,则开孔系数ρ一般也越大。ρ越大,应力集中越严重。从两组曲线还可看出,增加接管壁厚可减小应力集中程度。上述曲线对开孔大小的限制范围是:对壳体壁厚的限制范围是:4.001.0Rr15030R压力容器的壳体与接管都是用塑性良好的钢材制造的。(1)若容器内介质压力平稳，接管开孔边缘处的应力峰值对容器的安全使用不会产生太大影响。(2)若容器内的压力有较大波动或呈周期性变化（频繁开,停车），则器壁内的应力也跟着变化。处于应力集中区内的金属易产生疲劳破坏,应保证其根部金属在工作时处于安定状态:。3max返回（一）、补强结构常用的局部补强形式有三种：补强圈补强，加强管补强，整锻件补强。见下图:二.补强设计结构及计算⒈补强圈补强：缺点:与另外两种补强结构相比,补强后应力集中系数偏高;易引起温差应力;补强搭接焊缝抗疲劳性能差。故其只适用于静载,常温低压容器上,且有如下限制:①补强圈钢板的常温抗拉强度σb504MPa。②补强圈厚度不应超过壳体名义壁厚的1.5倍,且不大于38mm。优点:结构简单,制造容易,有一定补强效果是在开孔周围一定范围内紧靠接管贴焊一块补强圈。补强圈的材料一般与壳体相同。⒉加强管补强:即在开孔处焊一加厚接管。优点:补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验。缺点是焊缝处于最大应力区域内。⒊锻件补强:将接管与壳体连同加强部分做成一个整件锻件，然后再与壳体和接管焊在一起。优点:补强金属集中于开孔应力最大的部位，应力集中系数小;且焊缝及其热影响区都可设计得远离最大应力点位置，所以抗疲劳性能好。用途:用在有严格要求的设备上.规定：补强金属在通过开孔中心线的纵截面上的正投影面积As,必须等于或大于壳体由于开孔而在这个纵截面上所削弱的正投影面积A。等面积补强所适用的孔径是有限制的,可查有关规定。（二）补强计算1.补强圈的补强计算-----等面积补强含义：恢复壳壁的平均厚度。依据：等面积补强原则。图.补强范围nttnetC首先确定补强区的有效范围:有效宽度:取B=2d和B=d+2δn+2δnt两者中较大值.d为开孔直径,d=di+2Ct,Ct为接管壁厚附加量,Ct=Ct1+Ct2有效高度:①外侧高度h1=接管实际外伸高度②内侧高度h2=接管实际内伸高度ntdh1ntdh2取较小值取较小值（1）补强范围(见上图)补强计算步骤为：实际开孔直径:tetntietCddddi2)(220（2）补强金属面积计算原则:补强的金属截面必须等于或大于开孔减去的面积。①壳体因开孔削弱所要求的补强面积为A:含义:开孔削去的金属面积。a.承受内压的回转壳体开孔时,A=d•δ0式中δ0按（10-9）或（10-13）公式计算。b.平板封头上开孔时:A=0.5d•δ0式中:tcKPD0c.承受外压的回转壳体上开孔时:retfdA125.000式中:fr-强度削弱系数,trf管当fr1时,取fr=1,该系数主要考虑管壁金属截面补偿壳壁金属截面所引起承压能力上的差别。A1-壳体或封头承受内(外)压所需厚度δ0及壁厚附加量C两者之外的多余金属截面:A1=(B-d)(δe-δ0)A2-接管承受内(外)压所需厚度δt和壁厚附加量Ct(内伸时还包括Ct2)两者之外的多余金属截面。A2=[2h1(δet-δt)+2h2(δet-Ct2)]frA3-补强区内的焊缝金属截面积(焊缝截面指角焊缝或组合焊缝中角焊缝的那一部分),按等腰直角三角形计算。②有效补强范围内,能起补强作用的金属面积有:（3）判定是否需另加补强截面(贴焊补强圈):若A1+A2+A3≥A,则开孔不需补强。若A1+A2+A3A,则需另加补强圈,其面积:As=A-(A1+A2+A3)As为补强圈应提供的最小补强截面。若补强圈内径为d1,外径为d2,则补强圈所需最小厚度为:12ddAss补强圈尺寸可查表12-1。例1:某厂有一设备,内直径Di=2400mm,封头为标准椭圆形封头,壁厚δn=20mm,封头中央有一ф273ⅹ8的平齐接管,开孔不过封头焊缝,已知设计压力p=2MPa,设计温度t=100oC,设备材料为16MnR,接管为Q235-A,封头壁厚附加量C=4mm,管子附加量Ct=2mm,试做开孔补强设计,并验算孔边应力。解:一.补强设计δδnntt⒈强度计算壁厚:按表11-2ppKDti5.020标准椭圆形封头16MnR在100oC时的[σ]t=163MPaQ235-A在100oC时的[σ]t=113MPa9.0Kmm3.13245.01163224009.020接管计算壁厚:mmppdtit29.22111322827322⒉按等面积法进行补强计算⑴开孔削弱的器壁面积A开孔直径mmCddti26122822732203.34713.13261mmdA∴⑵补强范围:mmdB52226122mmdhnt7.4582611⑶多余截面积:封头壳壁:2017.7043.13420261522mmdBAe接管:2121.23516311329.2287.4522mmfhArtet焊缝金属截面积:取焊角高度最小值6mm,按等腰直角三角形计算:A3=1/2×6×6×2=36mm2⑸补强圈厚度及其外径:参照表12-1,对ф273的管子选择补强圈外径D0=480mm，内径d=277mm，故补强圈厚度为:mmdDAss3.122774805.249500取补强圈厚度mms13计算时比较有效补强区内的两种厚度，δS和[δs]。（1）开孔处壳体需要补强的当量厚度δSδS=δ0－（δe－δ0）=δ0－（δn－c－δ0）=2δ0－δn＋c式中：δe——壳体的有效厚度δ0——开孔被挖掉的承受压力所必须的厚度。δS——需要另外补加的厚度，由补强管在补强有效区内的补强厚度提供。2.补强管补强（HGJ527－90）当补强管的许用应力[σ]T＜壳体材料的许用应力[σ]时，δS=2δ0－δn＋c／fr式中fr=[σ]T／[σ]δ