開孔與開孔補(bǔ)強(qiáng)

1、開孔與開孔補(bǔ)強(qiáng)GB150.3-2011第6節(jié)1.概述2.補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算適用范圍3.等面積補(bǔ)強(qiáng)4.圓筒徑向接管開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的分析法 1.概述 為滿足工藝操作、容器制造、安裝、檢驗(yàn)和維修等的要求，在壓力容器上開孔是不可避免的。容器開孔以后，不僅整體強(qiáng)度受到削弱，而且還因開孔引起的應(yīng)力集中造成開孔邊緣局部的高應(yīng)力。因此壓力容器設(shè)計(jì)中必須充分考慮開孔的補(bǔ)強(qiáng)問題。壓力容器開孔以后，可引起三種應(yīng)力：a.局部薄膜應(yīng)力 壓力容器殼體一般承受均勻的薄膜應(yīng)力，即一次總體薄膜應(yīng)力。殼體開孔以后，使殼體上開孔所在截面的承載面積減少，使該截面的平均應(yīng)力增大。開孔邊緣的應(yīng)力分布的特點(diǎn)是應(yīng)力分布不均勻。在離開孔較遠(yuǎn)處，應(yīng)力幾乎沒

2、有變化，而增大的應(yīng)力則集中分布在開孔邊緣。由此引起很大的薄膜應(yīng)力，即所謂的局部薄膜應(yīng)力。b.彎曲應(yīng)力 容器開孔以后，一般總需設(shè)置接管或人孔等，即有另一個(gè)殼體與之相貫，相貫的兩個(gè)殼體在壓力載荷作用下，各自產(chǎn)生的徑向膨脹（直徑增大）通常是一致的。為使兩部件在連接點(diǎn)上變形相協(xié)調(diào)，則必然產(chǎn)生一組自平衡的邊界內(nèi)力。這些邊界內(nèi)力在殼體的開口邊緣及接管端部主要引起局部的彎曲應(yīng)力，屬于二次應(yīng)力。c.峰值應(yīng)力 在殼體開孔邊緣與接管的連接處還會(huì)產(chǎn)生一種由于應(yīng)力集中現(xiàn)象造成的分布范圍很小，而數(shù)值很高沿壁厚非線性分布的應(yīng)力，稱為峰值應(yīng)力。 容器在壓力載荷下產(chǎn)生的一次總體薄膜應(yīng)力是最基本的應(yīng)力，是為平衡壓力載荷所產(chǎn)生的

3、。這種應(yīng)力如果超過材料的許用應(yīng)力達(dá)到材料的屈服點(diǎn)，則容器將產(chǎn)生很大的變形（徑向膨脹），這種破壞是在一次加載條件下就發(fā)生的，稱為靜力強(qiáng)度失效。 由于相貫殼體變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生的邊界內(nèi)力引起的局部彎曲應(yīng)力自限性，不會(huì)使容器在一次加載條件下發(fā)生破壞。但它可能在多次加載條件下，即多次加壓卸壓的加載方式下，造成開孔附近的局部破壞。即發(fā)生所謂的失去安定性的塑性疲勞破壞。 等面積補(bǔ)強(qiáng)法對開孔邊緣的二次應(yīng)力的安定性問題是通過限制開孔形狀、長短徑之比和開孔范圍（開孔率）間接加以考慮的，使孔邊的局部應(yīng)力得到一定的控制。 等面積補(bǔ)強(qiáng)法對開孔邊緣的峰值應(yīng)力問題未加考慮，為此不適用于疲勞容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)。 2. GB150.3

4、-2011中開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算包括等面積法和分析法。 2.1適用范圍：2.2分析法適用的范圍2.3不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑 3.等面積補(bǔ)強(qiáng) 3.1等面積補(bǔ)強(qiáng)概念： 補(bǔ)強(qiáng)是保障開孔局部截面的拉伸靜力強(qiáng)度，屬于拉伸強(qiáng)度補(bǔ)償。為保障內(nèi)壓殼體開孔局部截面的拉伸強(qiáng)度，從補(bǔ)償角度講：殼體由于開孔喪失的拉伸承載截面積應(yīng)在孔邊有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)等面積地進(jìn)行補(bǔ)償，俗稱等面積補(bǔ)強(qiáng)。3.2單個(gè)開孔補(bǔ)強(qiáng)的等面積法適用范圍：3.3補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式1）補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng) 接管壁厚選用，特別是小接管的壁厚選用常出現(xiàn)不合理的現(xiàn)象。 對于要求接管與殼體的焊接接頭采用全焊透的結(jié)構(gòu)時(shí)，接管壁厚應(yīng)取1/2殼體壁厚或取接管壁厚6mm兩者的較小值。 對于

5、坡口熔敷金屬量大的焊接接頭，當(dāng)殼體壁厚大于16mm時(shí)接管壁厚應(yīng)大于8mm；當(dāng)殼體壁厚較大（壁厚 20mm）時(shí)，接管與殼體的連接焊縫宜采用雙面坡口。 對于低溫壓力容器，與殼體相焊的接管壁厚應(yīng)不小于5mm，其中DN50的短接管宜采用鍛造的厚壁管或異徑管。2）整體補(bǔ)強(qiáng):增加殼體厚度或用全焊透的結(jié)構(gòu)形式將厚壁管或整體補(bǔ)強(qiáng)鍛件與殼體相焊。 符合下列條件之一應(yīng)考慮采用整體補(bǔ)強(qiáng)：a. 容器設(shè)計(jì)壓力p4MPa；b. 容器設(shè)計(jì)溫度大于350C；c. 承裝極度、高度危害介質(zhì)的壓力容器（介質(zhì) 毒性HG20660）；d. 疲勞壓力容器；e. 補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)不能滿足要求的補(bǔ)強(qiáng)。受內(nèi)壓殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積公式：開孔直徑及強(qiáng)度

6、削弱系數(shù)：)1 (2retopfdA 受外壓殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積公式： 式中為殼體外壓計(jì)算有效厚度，其余同內(nèi)壓工況。)1 (2 5 . 0retopfdA 平蓋開孔補(bǔ)強(qiáng) 平蓋無論在內(nèi)壓或外壓作用下，板中產(chǎn)生的始終是彎曲應(yīng)力，為此只存在彎曲強(qiáng)度問題，不存在穩(wěn)定問題。故平蓋不僅內(nèi)壓厚度計(jì)算與外壓厚度計(jì)算方法相同，而且開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的方法也是一致的，在開孔率較大時(shí)，其開孔補(bǔ)強(qiáng)按法蘭。 平蓋開單個(gè)，且開孔直徑 （Do取平蓋計(jì)算直徑，對非圓形平蓋取短軸長度）時(shí)，所需最小補(bǔ)強(qiáng)面積按式 開孔率（開孔直徑與平蓋直徑之比）大于0.5的平蓋，受力與法蘭相近，故其開孔補(bǔ)強(qiáng)按法蘭或反向法蘭計(jì)算。Dodop5 . 0popdA5 . 0有效補(bǔ)強(qiáng)范圍： 兩個(gè)方向的補(bǔ)強(qiáng)范圍（1）沿殼體經(jīng)線方向的補(bǔ)強(qiáng)范圍： 是依據(jù)受均勻拉伸作用的開小孔大平板，孔邊局部應(yīng)力集中的衰減范圍確定的。（2）沿接管軸線方向的補(bǔ)強(qiáng)范圍： 是依據(jù)圓柱殼在端部均布載荷作用時(shí)，柱殼中局部環(huán)向薄膜應(yīng)力的衰減范圍確定的。opdB2nt