化工设备容器的开孔与附件

13.3容器的开孔与附件一、容器的开孔与补强1）容器为什么要开孔？工艺、安装、检修的要求。2）开孔后出现的问题？2开孔带来的问题削弱器壁的强度产生高应力集中区3平板在两向拉力作用下，开大孔时孔边受力情况4平板在两向拉力作用下，开小孔时孔边受力情况峰值应力通常较高，达到甚至超过材料屈服极限。局部应力较大，加之材质和制造缺陷等,为降低峰值应力，需要对结构开孔部位进行补强，以保证容器安全运行。5开孔的形状：应力集中和开孔形状有关，圆孔的应力集中程度最低。（1）平齐接管（连接）（2）插入式接管（3）螺纹式连接（4）对称连接（此种连接结构复杂，一般用在要求较高的场合）容器开孔的连接结构：63.开孔补强的设计与补强结构在开孔附近区域增加补强金属，提高器壁强度，满足强度设计要求。7补强结构局部补强整体补强补强圈补强厚壁接管补强整锻件补强增加整个壳体的厚度。应力集中的局部性，除非制造或结构需要，一般不把整个容器壁加厚。81）整体补强2）补强圈补强补强圈贴焊在壳体与接管连接处；优点：结构简单，制造方便，使用经验丰富；缺点：1）与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，存在较大热膨胀差，在补强局部区域产生较大的热应力；2）与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，抗疲劳性能差。为方便焊接，外面单面补强。检验紧密性，M10螺孔通入压缩空气。91011中低压容器应用最多的补强结构，一般使用在静载、常温、中低压。GB150用补强圈结构补强时，规定：①钢材的标准抗拉强度下限值σb≤540MPa；②补强圈厚度小于或等于1.5δn；③壳体名义厚度δn≤38mm。应用HG21506-92《补强圈》，JB/T4736-95《补强圈》标准补强圈设计计算方法补强的计算方法有等面积法、极限分析法两种，考虑到工程上应用较多，下面就着重介绍等面积补强的计算方法。所谓等面积补强，就是使补强的金属量大于或等于容器中开孔所削弱的金属量。补强金属在通过开孔中心线的纵截面上的正投影面积，必须大于或等于壳体由于开孔而在这个纵截面上所削弱的正投影面积。12A1+A2+A3≥A式中A1，A2，A3—补强金属在通过开孔中心线的纵截面上的正投影面积；A—容器壳体由于开孔在上述纵截面上削弱而需要补强的正投影面积。13141)容器开孔削弱面积A的计算①对于内压容器的圆筒体、球壳及椭圆形、碟形、锥形等封头②对于受外压的圆筒或球壳式中d—开孔内直径(若为圆形孔，则等于开孔内直径加两倍壁厚附加量)，mm；δ—壳体开孔处的计算壁厚，mm；δet—接管的有效厚度，mm；fr—强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比，当该比值大于1.0时，取fr=1.0。)1(2retfdA)]1(2[5.0retfdA2)开孔有效补强范围筒体或封头进行开孔补强时，其补强区的有效范围按图15-17确定。具体为：①有效宽度：B=2d或B=d+2δn+2δnt(δn为壳体开孔处的名义厚度)，取两者中较大值。②有效高度：外侧有效高度或接管实际外伸高度，取两者中的较小值，mm；内侧有效高度或接管实际内伸高度，取两者中的较小值，mm。15ntdh1ntdh23)补强面积的计算在有效补强区的矩形WXYZ范围，可作为有效补强的金属面积有以下几部分：A1—壳体有效厚度减去计算厚度之后的多余金属面积(mm2)，其值为：A2—接管有效厚度减去计算厚度之外的多余金属面积(mm2)，其值为：A3—有效补强区内焊缝金属截面积，mm2；（式中δe—壳体开孔处的有效厚度，mm；δt—接管计算厚度，mm；C2—接管腐蚀裕度，mm）若A1+A2+A3≥A，则开孔不需补强；若A1+A2+A3＜A，则需补强面积A4≥A-(A1+A2+A3)。16)1)((2))((1reetefdBAretrtetfChfhA)(2)(22212补强件的材料一般应与壳体相同，若补强材料的许用应力小于壳体材料的许用应力，则补强件的面积应按壳体材料与补强件材料许用应力之比而增加。反之，则不得减少补强件的补强面积。采用补强圈进行局部补强时，补强圈的内径d与外径D可从JB/T4736中查得，其厚度也可粗略定为A/(D-d)。17HG21506-92《补强圈》，JB/T4736-95《补强圈》18183）厚壁接管补强结构在开孔处焊上一段厚壁接管，见（b）图。特点补强处于最大应力区域，能更有效地降低应力集中系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验，补强效果较好。高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高，一般都采用该结构，但必须保证焊缝全熔透。应用1920结构将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接，见（c）图。4）整锻件补强整体锻件21补强金属集中于开孔应力最大部位，能最有效地降低应力集中系数；可采用对接焊缝，并使焊缝及其热影响区离开最大应力点，抗疲劳性能好，疲劳寿命只降低10～15%。重要压力容器，如核容器、材料屈服点在500MPa以上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大直径开孔容器等。优点缺点锻件供应困难，制造成本较高。应用4.允许开孔的范围筒体及封头开孔最大直径不允许超过：1）圆筒Di≤1500mm，开孔最大直径d≤1/2Di，且d≤520mm；圆筒Di＞1500mm时，开孔最大直径d≤1/3Di，且d≤1000mm；2）凸形封头或球壳的开孔最大直径d＜1/2Di。3）锥壳开孔最大直径d≤1/3Di，Di为开孔中心处的锥壳内直径。225.不需补强的最大开孔直径1）计算壁厚考虑了焊缝系数，钢板规格，壳体壁厚超过实际强度，最大力值降低，相当于容器已被整体加强。2）容器开孔总有接管相连，其接管多于实际需要壁厚也起补强作用。3）容器材料有一定塑性储备，允许承受不是十分过大的局部应力，所以当孔径不超过一定数值时，可不进行补强。壳体开孔满足全部条件，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(对曲面间距以弧长计算)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；23(4)接管最小壁厚满足表3-31的要求。接管公称外径253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0＞540MPa，全焊透，接管腐蚀裕量1mm。二、容器的接口管与凸缘用于装置测量、控制仪表，或连接其他设备和介质的输送管道。（1）接口管焊接设备的接口管长度公称直径DN不保温接管长保温设备接管长适用公称压力PN（MPa）≤1580130≤4.020～50100150≤1.670～350150200≤1.670～500≤1.024铸造设备接管可与筒体一并铸出。螺纹管主要用来接温度计、压力表或液面计等，阴螺纹或阳螺纹.25（2）凸缘接管长度必须很短时可用凸缘代替(又叫突出接口)凸缘本身有加强作用，不需另外补强。当螺柱折断在螺栓孔中，取出较困难。凸缘与管道法兰配用，联接尺寸应根据所选用的管法兰来确定。三、手孔与人孔检查设备内部空间以及安装和拆卸内部构件。手孔直径150mm～250mm，标准手孔公称直径有DN150和DN250两种。手孔结构：容器上接一短管，其上盖一盲板。26人孔：1）设备直径超过900mm，有手孔也设人孔。2）人孔的形状有圆形和椭圆形。3）椭圆形人孔短轴与筒身轴线平行。4）圆形人孔直径400mm～600mm，容器压力不高或有特殊需要时，直径可以大一些。椭圆形人孔(或称长圆形人孔)的最小尺寸为400mm×300mm。手孔标准（HG21515～21527-95）；人孔标准（HG21528～21535-95）设计时根据设备的公称压力，工作温度以及所用材料等按标准直接选用。四、视镜与液面计（1）视镜观察内部，也可用作物料液面指示镜。分为不带颈视镜和带颈视镜。27不带颈视镜——凸缘构成，结构简单，不易结料，有比较宽阔的视察范围。当视镜需要斜装或设备直径较小时，则需采用带颈视镜。视镜已经标准化，化工生产中常用的还有压力容器视镜、带灯视镜、带灯有冲洗孔的视镜、组合视镜等。（2）液面计1）公称压力不超过0.7MPa，开长条孔，矩形凸缘或法兰把玻璃固定在设备上。2）承压容器，一般都是将液面计通过法兰、活接头或螺纹接头与设备联接在一起.283）设备直径大，可同时用几组液面计接管。4）现有标准中有反射式玻璃板液面计、反射式防霜液面计、透光式板式液面计和磁性液面计。