壓力容器的開孔與接管

1、第十二章壓力容器開孔與接管一 . 重點1. 殼體開孔的壓力特點2. 開孔接管的應力集中系數(shù)的定義3. 開孔補強的目的4. 開孔補強的結(jié)構(gòu)及方法5. 等面積補強的原則6. 等面積補強計算面積有哪些 ?二 . 殼體上開孔的原因三 . 殼體上開孔后產(chǎn)生的問題1. 開孔后 ,造成殼壁不連續(xù) ,在孔邊緣產(chǎn)生應力集中2. 接管后 ,殼體與管的結(jié)構(gòu)不連續(xù) ,產(chǎn)生的附加彎應力3. 殼體接管的拐角處 ,由于 r 引起的局部應力 .結(jié)果 : 使孔附近的應力比薄膜應力大5-6 倍 ,產(chǎn)生疲勞破壞和脆裂12.1 容器殼體開孔時的應力分析一 .平板開小圓孔的應力分析分析條件 : 板長 ,寬 孔徑 2a 載荷 q/作用于

2、板上1. 單向拉伸時的應力分析(1) 孔區(qū)附近的應力解(12-1) 式利用彈性力學理論解知(2) 孔邊緣處的應力特點: r=a 時 孔邊緣處的應力rr00q(12 cos2 )r=a 時 孔邊緣處的周向應力分布特點:當0、 時，平行于 q方向的q當時，垂直于 q方向的3q2ra 時隨 r 的增大而迅速減小. 由 (12-1) 式可知 .2. 雙向拉伸時的應力分析 :二 .薄球殼開小孔的應力分析球半徑 R較大1.分析對象 :較小在開孔區(qū)域的殼近似板Dq1q2q2.孔區(qū)附近的應力解利用 q1 q2q 代入 (12-4) 可知 (12-5), 即rq 1a 2r2q 1a 2r2r03. 孔邊緣處的

3、應力特點:當 r=a 時 ,孔邊緣應力r00r2qmax孔邊緣應力=孔區(qū)域薄膜應力q 的 2 倍 .四 . 圓筒殼開小孔1.分析對象 :k 較大 ,/ D 較小 ,q1 2q2 (2)2.應力解 :利用 q12q2 代入 (12-4) 可知 (12-6)3.孔邊緣處的應力特點: (1) 當 r=a 時r0r0q2 (3 2cos 2)當、 時，(2)在孔邊緣 r=a 處的分布規(guī)律 :0當時，2說明 :max 比孔口區(qū)域筒殼中大 2.5 倍.( q21 q11)22五 . 平板開橢圓孔的應力分析1.單方向受拉伸時的應力分析minq2maxq2(1)長軸平行于受拉方向時:孔口處r=a 時的應力解

4、(12-8)rr0由于其應力表達式較復雜,僅給出最重要的孔口應力表達式,即(128)特點 : 孔口處的分布規(guī)律 :當 0、 時，在長軸兩端當時，在短軸的兩端2(2) 長軸 a 垂直于受拉方向時孔口處的應力解 (12-9)minq1maxq1 (12b )a孔口處的分布規(guī)律當 0、 時，在長軸兩端：當 時，在短軸兩端：2maxq2 (12a) :bminq22.雙向受拉伸時的應力分析q2 2q1(1) 孔口處的應力解 :由(12-8) 與 (12-9) 疊加即知 (12-10)(2) 孔口邊緣處的分布規(guī)律 (特點 )由(12-10) 可知 : 在長軸的兩端m a xq2 (12a )q1(0.5

5、2a ) q2bb在短軸的兩端minq1 (12b)q2a說明 :開橢圓孔時 ,最大應力在孔邊緣0、處 (在長軸兩端 ) 12.2 開孔接管處應力集中系數(shù)的計算一 .開孔接管時的應力集中1.殼體上開孔與平板開小孔有以下差別:(1) 開孔不是小孔 . 如 :人手孔 .故開小孔的假設(shè)不成立其理論不能運用.(2) 容器殼體是曲面 ,與平板不同 . 因為在開孔處由于曲面的影響 ,殼體存在彎曲應力(3) 容器開孔接管后 ,接管對開孔邊緣有約束作用 .而平板開小孔理論 ,沒有考慮接管約束問題 ,所以對開孔接管問題 ,必須尋求新的分析方法.2.接管區(qū)的應力分析(1) 利用 ”力法 ”可求出該區(qū)域的應力分布情

6、況和應力值“力法 ”:根據(jù)平衡 ,幾何和物理方程(2) 根據(jù)理論計算和實際結(jié)果 ,查接管區(qū)的應力分布圖 12-7二開孔接管處的應力集中系數(shù)計算1.應力集中系數(shù)K 的概念 : (1)作用 : 求接管處的最大應力峰值max如:球殼：maxK筒殼：設(shè)備實際最大應力(2)定義 :K殼體基本薄膜應力KpDimax4 npDimaxK4 n2. K 的確定方法(1)應力指數(shù)法 K 的大小 : 查表 12-1 :適用條件 P235 (1)-(4)注 :徑向接管 :接管軸線與殼體半徑同一方向非徑向接管 : 軸線與殼體半徑不同方向(2)應力集中系數(shù)曲線: 曲線形成 : 由理論與實踐綜合繪出適用條件 : 不能用指

7、數(shù)法時采用曲線種類 : 圖 12-12 球殼平齊圖 12-13 球殼 內(nèi)入圖 12-14 圓殼 平齊0.01rR0.4曲線適用條件 :R15030n當 R150 時,殼體很薄 ,則 K 取的比曲線值大些 .n因為開孔造成彎曲應力效應大.3. 應力集中系數(shù)曲線的推廣應用(1) 可用于補強殼體注意 : 利用曲線查 K 時 ,將nt改用ntnnnt 為接管厚度 , n t為加強后的厚度將開孔系數(shù)中的 n 改用n 查 n下的 K 值(2) 橢圓封頭上開孔的 K.不同點 :當量半徑R=K 1Ri其中 :R 是封頭的當量半徑; K 1 是修正系數(shù) ,與 a/b 有關(guān) ,查表 12-2, R i 是封頭內(nèi)半

8、徑 .12.3 開孔補強設(shè)計一.開孔補強的概念1.開孔補強的目的:降低開孔接管處的應力峰值.t, 所 以 應 力 峰 值 降 低 , 設(shè) 計 時tn 降 低 .因 為 容 器 的 強 度 條 件 max降 低 ,pc Dit2pc2.開孔補強設(shè)計的定義:為降低應力集中系數(shù),而作的計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計二 .補強結(jié)構(gòu) ( 補強元件類型 )1.加強管補強(1)結(jié)構(gòu)圖 12-15.(d),(f)即在開孔處焊接一段加厚的接管(2)特點 :環(huán)焊縫少 .易探傷 ,結(jié)構(gòu)簡單(3)適用范圍 :低合金鋼 ,高壓設(shè)備2.整體鍛件補強 : (1) 結(jié)構(gòu) :圖 12-15 (g),(h),(i)(2) 特點 : 優(yōu) : 對焊

9、 ,易探傷抗疲勞性能好缺 : 成本高 ,加工難(3) 適用范圍 :高壓 重要設(shè)備(3) 加強圈的補強 : 結(jié)構(gòu) : 圖 12-15. (a),(b),(c)特點 : 優(yōu) :簡單 ,易加工 ,使用經(jīng)驗豐富缺 :抗疲勞性能差 ,熱應力大 ,K 大s 540MPa.適用范圍 : P241補1.5 nu 38三: 殼體開孔的有關(guān)規(guī)定1.允許不補強時開的最大孔直徑P242.(1)-(4) Pc 2.5MPa開孔中心距A= 兩孔直徑和的2 倍 .A2( 12 )接管外徑d0=89mm接管最小壁厚min 滿足表內(nèi)要求.2. 殼體上允許開的最大孔直徑dmax, P242.(1)-(3)(1) 圓筒 D i時，

10、d maxD i 且520 m m15002D i時，d maxD i 且1000m m15003(2)凸形封頭與球殼的dmaxDi2(3)錐殼或錐形封頭的dmaxDi (D i 為開孔中心處的錐殼內(nèi)徑 )3注 :橢圓 ,碟形過度段部分開孔時 ,孔中心線垂直于封頭表面 .四 .等面積補強計算方法1.各國壓力容器規(guī)范主要采用的準則(補強準則的種類)因為補強的目的是降低開孔接管處的應力值,對這個應力值限制在什么范圍內(nèi),就出現(xiàn)了各種補強準則 .(1) 等面積補強準則(2) 極限分析法(3) 安定性理論(4) 其它方法 : 實驗屈服法實驗應力法等2 常用的開孔補強準則- 等面積補強準則3 等面積補強的

11、原則在補強區(qū) (在鄰近開孔處附近處)所加補強材料的截面積A 0 應與開孔而失去的截面積A 相等 .即 A 0=A其含義 :在于補強殼壁的平均強度,用開孔等面積的外加金屬來補強被削弱的殼壁強度.4.等面積補強計算方法. P243(1) 判斷是否要補強計算滿足不另行補強的最大開孔直徑的條件者,不補強(2) 計算開孔失去的面積 A.（ 3）確定補強區(qū)的有效范圍有效寬度 B2d取大值Bd2 n2 nt有效高度 hh1nt dh2dnt取小值外伸長 度內(nèi) 伸長度（ 4）計算有效補強面積A0A0A1A2A3A4A1 殼體承受內(nèi)壓或外壓所需設(shè)計厚度之外的的多余金屬面積A1（B d）( e) 2(ntc)( e)(1 f r )A2接管承受內(nèi)壓或外壓所需的設(shè)計厚度d 之外的多余金屬面積A22h1 ( ntd c) f r2h2 ( ntc c2 ) f r其中e ( d ) 計算設(shè)計厚度c厚度附加量cc1c2f r強度削弱系數(shù)A3 補強區(qū)焊縫面積A3( 1底 高) 22A4 補強區(qū)內(nèi)另加的補強面積（加強圈面積）（ 5）判斷當 A0A1A2A3A 時， 不用補強。當