南华大学机械工程学院毕业设计
第四章 开孔和开孔补强设计
由于各种工艺和结构上的要求，不可避免地要在容器上开孔并安装接管。开也以后，除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力，给容器的安全操作带来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔补强问题。 补强结构
压力容器接管补强结构通常采用局部补强，主要有补强圈补强、厚壁接管补强和整体煅件补强三种形式。 补强圈补强
补强圈补强是中低压容器应用最多的补强结构，补强圈贴焊在壳体与接管连接处。它结构简单，制造方便，使用经验丰富，但补强圈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，二者存在较大的热膨胀差，因而使补强局部区域产生较大的热应力；另外，补强圈与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，所以抗疲劳能力差。这种补强结构一般使用在静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于540MPa、补强圈厚度小于或等于1.5?n、壳体名义厚度?n不大于38㎜的场合。
厚壁接管补强 即在开也处焊上一段厚壁接管。由于接管的加厚部分正处于最大应务区域内，故比补强圈更能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，因此补强效果较好。高强度低合金钢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。 整体锻件补强 该补强结构是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。其优点是：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%。缺点是锻件供应困难，制造成本较高，所以只在重要压力容器中应用，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等。
开孔补强设计准则
开孔补强设计就是指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数
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减小到某一允许数值。目前通用、也是最早的开孔补强设计准则是基于弹性失效设计准则的等面积补强法。但随着各国对开孔补强研究的深入，出现了许多新的设计思想，形成了新的设计准则，如建立了以塑性失效准则为基础的极限分析方法。设计时，对于不同的使用场合和载荷性质可采用不同的设计方法。
等面积补强 认为壳体因开也被削弱的承载面积，须有补强材料在离孔边一定距离范围内给予等面积补偿。该方法是以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则，故对小直径的开孔安全可靠。由于补强法未计及开孔处的应力集中的影响，也没有计入容器直径变化的影响，补强后对不同接管会得到不同的应力集中系数，即安全裕量不同，因此有时显得富裕，有时显得不足。
等面等补强准则是优点是有长期的实践经验，简单易行，当开孔较大时，只要对其开孔尺寸和形状等予以一定的配套限制，在一般压力容器使用条件下能够保证安全，因此不少国家的容器设计规范主要采用该方法，如ASMEVII－1和GB150等。
极限分析补强 该法要求带有某种补强结构的接管与壳体发生塑性失效时的极限压力和无接管时的壳体极限压力基本相同。
允许不另行补强的最大开孔直径
压力容器常常存在各种强度裕量，例如接管和壳体实际百度往往大于强度需要的厚度；接管根部有填角焊缝；焊接接头系数小于1但开孔位置不在焊缝。这些相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄膜应力从而也降低了开孔处的最大应力。因此，对于满足一定条件了开孔接管，可以不予补强。
GB150规定，当在设计压力小于或等于2.5MPa的壳体上开孔，且相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径小于或等于89㎜时，只要接管最小厚度满足下表要求，就可不另行补强。
不另行补强的接管最小厚度 接管公称外径 25 32 38 45 48 57 65 76 89 第 37 页 共 63 页
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最小厚度 3.5 4.0 5.0 6.0 等面积补强计算
等面积补强设计方法主要用于补强圈结构的补强计算。基本原则如前所述，就是使有效强的金属面积等于或大于开孔所削弱的金属面积。
允许开孔的范围 等面积补强法是以无限大平板上开小圆孔的孔边应力分析作为其理论依据。但实际的开孔接管是位于壳体而不是平板上，壳体总有一定的曲率，为减少实际应力集中系数与理论分析结果之间的差异，必须对开孔的尺寸和形状给予一定的限制。GB150对开孔最大直径作了如下限制。 圆筒上开孔的限制，当其内径Di?1500mm时，开孔最大直径d?d?520mm12Di，且
。
；当其内径Di?1500mm时，开孔最大直径d?12Di。 13Di，Di13Di，且d?1000mm 凸形封头或球壳上开孔最大直径d? 锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径d?为开孔中心处的锥壳内径。
在椭圆或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直于封头表面。 所需最小补强面积A 对受内压的圆向或球壳，所需要的补强面积A为 A＝d?+2??et?1?fr?
式中 A — 开孔削弱所的补强面积， mm2 ；
D — 开孔直径，圆形孔等于接管内直径加2倍厚度附加量，椭圆形或长圆形孔取所考虑平面上的尺寸（弦长，包括厚度附加量），㎜； ? — 壳体开孔处的计算百度，㎜；
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，当该值大于1.0时，取fr＝1.0 。
有效补强范围 在壳体上开孔处的最大应力在孔边，并随离孔边距离的增加而减少。如果在离孔边一定距离的补强范围内，加上补强材料，可有效降低应力水平。壳体进行开孔补强时，其补强区的有效范围按WXYZ确定，超过此范围的补强是没有作用的。
有效宽度B按下式计算，取二者中的较大值
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{B?2dB?d?2?n?2?nt
式中 B — 补强有效宽度，㎜；
?n — 壳体开孔处有名义厚度，㎜； ?nt — 接管名义厚度，㎜；
内外径有效高度按下式计算，分别取式中较小值 外侧高度 {h1?d?nt
h1?接管实际外伸高度h2?d?nt内侧高度 {
h2?接管实际内伸高度补强范围内补强金属Ae 在有效补强区WXYZ内，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外的多余金属面积。
A1?(B?d)(?e??)?2?et(?e??)(1?fr)
A2 — 接管有效厚度减去计算百度之处的多余面积。 A2?2h1??et??t?fr?2h2??et?C2?fr A3 — 有效补强区内焊缝金属的截面积。
A4 — 有效补强区内另处再增加的补强元件的金属截面积。 式中 ?e — 壳体开孔处有有效厚度，㎜； ?t — 接管计算厚度，㎜。 若 Ae=A1+ A2+A3?A
式中Ae — 有效补强范围内另加的补强面积，mm2； 则开孔后不需要另行补强。 若Ae=A1+ A2+A3?A
则开也需要另外补强，所增加的补强金属截面积A4应满足
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A4?A-Ae
补强材料一般需与壳体材料相同，若补强材料许用应力小于壳体材料许用应力，则补强面积按壳体材料与补强材料许用应力之比而增加。若补强材料许用应力大于壳体材料许用应力，则所需补强面积不午减少。
以上介绍的是壳体上单个开孔的等面积补强计算方法。当存在多个开孔，且各相邻孔之间的中心距小于两孔平均直径两倍时，则这些相邻孔就不能再以单孔计算，而应作为并联开孔来进行联合补强计算。
承受内压的壳体，有时不可避免地要出现大开孔。当开孔直径超过标准中允许的开孔范围时，孔周边会出现较大的局部应力，因而不能采用等面积补强法进行补强计算。目前，对大开孔的补强，常采用分析设计标准中规定的方法和压力面积法等方法进行分析计算。
由已经计算出的条件，内径Di＝1200㎜，采用标准椭圆封头，在封头中心位置设置?350?10的内平齐管，封头名义厚度?n＝10㎜，设计压力p＝0.11MPa，设计温度t?40?C，接管外伸高度h1?300mm，封头和补强圈材料为16MnR，其许用应力???t?170MPa，接管材料为10号钢，其许用应力???tn＝112MPa，封头和接管的厚度附加量C均取4㎜.焊接接头系数??1.0。
补强及补强方法的判别，由上表知，允许不另行补强的最大接管外径为
?89mm。本开孔外径等于355.6㎜，故需另行考虑其补强。
补强计算方法判别
开孔直径d=di+2C=350+2×4=358㎜
本凹形封头开孔直径d=358㎜ 开孔所需补强面积 封头计算厚度 由于在椭圆形封头中心区域开孔，所以封头计算厚度 ??K1pcDi2????t?0.5pc＝ 0.9?0.11?12002?170?1?0.5?0.11＝0.35㎜ 第 40 页 共 63 页