开孔补强设计
文件编码（008-TTIG-UTITD-GKBTT-PUUTI-WYTUI-8256）
H e f e i U n i v e r s i t y
《化工机械与设备》过程考核之三
——典型化工设备零件机械设计
题目：4MPa反应釜开孔补强零件设计
系别：化学材料与工程系
班级：09化工（4）
姓名：梅源
学号：
队别：Team 36
教师：胡科研
日期：2011-12-11
目录
1前言及概念
在日常的压力容器设计工作中，经常会遇到压力容器开孔补强问题。压力容器开孔以后，不仅整体强度受到削弱，而且还因开孔引起的应力集中造成开孔边缘局部的高应力，加上接管上有时还有其他的外载荷所产生的应力及热应力，而容器材料、以及开孔结构在制造和焊接过程中又不可避免地会形成缺陷和残余应力，开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位，于是开孔附近就往往成为压力容器的破坏源一一主要是疲劳破坏和脆性裂口。因此，按照GBl50-1998Ⅸ钢制压力容器》的规定，在压力容器设计过程中必须充分考虑开孔的补强问题。
开孔补强的适应范围和方法
(1)当其内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤1／2Di，且d≤520mm；当
其内径D≥1500mm时，开孔最大直径d≤l／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(或锥形封头)的开孔最大直径d≤1／3Di，Di为开孔中心处的锥壳内直径；
(4)在椭圆形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。
满足开孔条件时，可采用的三种补强方法
(1)补强圈补强
补强圈补强结构简单，制造方便，有一定的补强效果。但和其它补强结构相比，补强区较为分散，补强效果不佳，补强后的应力集中系数比较大。由于补强圈并未和壳体、接管形成整体，所以其抗疲劳性很差，一般常用于静压、常温下的中低压容器。对于缺口敏感性较高的低合金高强度钢制容器，采用此种补强结构时尤需慎重，高温、高压或承受变载荷的容器，则不宜采用此种补强形式。鉴于补强圈搭接结构会引起较大的局部应力，且高强度钢的淬硬性强，易产生焊接裂纹，故在超出GBl50—1998对其适用条件范围时，宜采用整锻件补强或整体加厚壳体补强。
(2)整锻件补强(包括用全焊透焊缝连接的厚壁管补强)
采用整锻件补强，所有补强区域集中在应力集中区，能有效地降低应力集中系数，故补强效果好。由于补强件和壳体、接管之间的焊接采用对接焊缝，焊接质量可保证，并使焊缝及热影响区离开最大应力点的位置，故抗疲劳性能好。常用于o S≥500MPa的容器开孔及在低温、高温或受交变载荷的大直径容器开孔。缺点是锻件供应困难，制造繁琐，成本较高，只在重要的设备中使用。采用厚壁管补强，接管的加厚部分处于最大的应为区域内，比补强圈更能有效地降低应力集中系数。这种形式结构简单，制造与检验都很方便，但必须保证全焊透焊接。对于低合金高强度钢，由于它比一般低碳钢有较高的缺口敏感性，所以一般都采用厚壁管补强型式。
(3)整体加厚壳体补强
整体加厚壳体补强结构是以增加整个简体或封头的壁厚来降低开孔附近的应力，其开孔补强计算可按等面积补强法进行计算。根据理论和实验分析，开孔后的应力集中现象有明显的局部性。当简体上开设排孔或封头上开孔较多时，一般采用整体加厚壳体补强。
开孔补强的目的 降低开孔接管处的应力峰值
因为容器的强度条件[]φσσ?≤t max
,所以应力峰值降低,设计时
[]t σ降低,n
δ
降低.
[]c t
i
c p D p -=
φσδ2
补强结构(补强元件类型) 1.4.1加强管补强
(1)结构：如下图1 即在开孔处焊接一段加厚的接管 (2)特点:环焊缝少.易探伤,结构简单 (3)适用范围:低合金钢,高压设备 1.4.2整体锻件补强 (1)结构:如下图2 (2)特点:
优点: 对焊,易探伤 抗疲劳性能好
缺点: 成本高,加工难 (3)适用范围:高压 重要设备
1.4.3加强圈的补强 ①结构: 如下图3 ②特点:
优点:简单,易加工,使用经验丰富 缺点:抗疲劳性能差,热应力大,K 大
. ③适用范围: ???
??≤≤≤38
5.1540u n s MPa σδσσ补
壳体开孔的有关规定
1.5.1允许不补强时开的最大孔直径 ① P c ≤
②开孔中心距A>=两孔直径和的2倍. ③接管外径d 0≤89mm
④接管最小壁厚min σ满足表内要求. 1.5.2壳体上允许开的最大孔直径d max
(1)圆筒?
?????
?
≤≤≤≤≤≤mm D d D mm D d D i
i i
i 10003150052021500max max 且时，且时，
(2)凸形封头与球壳的
2max i
D d ≤
(3)锥壳或锥形封头的
3max i
D d ≤
(D i 为开孔中心处的锥壳内径)
注:椭圆,碟形过度段部分开孔时,孔中心线垂直于封头表面. 等面积补强计算方法
1.6.1各国压力容器规范主要采用的准则(补强准则的种类) 因为补强的目的是降低开孔接管处的应力值,对这个应力值限制在什么范围内,就出现了各种补强准则.
(1)等面积补强准则 (2)极限分析法 (3)安定性理论
(4)其它方法: 实验屈服法、实验应力法等
1.6.2等面积补强的原则
在补强区(在邻近开孔处附近处)所加补强材料的截面积A 0应与开孔而失去的截面积A 相等.即A 0=A
其含义:在于补强壳壁的平均强度,用开孔等面积的外加金属来补强被削弱的壳壁强度.
1.6.3等面积补强计算方法 (1)判断是否要补强计算
满足不另行补强的最大开孔直径的条件者,不补强 (2)计算开孔失去的面积A. （3）确定补强区的有效范围
有效宽度B 取大值 nt n d B d
B δδ222++==
有效高度h 取小值 外伸长度d
h nt δ=
1
，
.
内伸长度nt
d h δ=
2
（4）计算有效补强面积0A
1A ——壳体承受内压或外压所需设计厚度之外的的多余金属面积 2A ——接管承受内压或外压所需的设计厚度d δ之外的多余金属面
积
其中 )(d e δδ 计算设计厚度
c 厚度附加量 21c c c += r f 强度削弱系数
3A ——补强区焊缝面积
4A ——补强区内另加的补强面积（加强圈面积）
（5）判断
当A A A A A ≥++=3210时， 不用补强。 当A A A A A <++=3210时，需补强。 （6）补强圈面积4A 的计算
ì 当壳补][][δδ=，)(3214A A A A A ++-≥ í 当壳补][][δδ>，04A A A -=
当 壳补][][δδ<， )
(][][14A A A -=壳
补
δδ （7）补强圈的设计
ì 补强圈的外径 B D 有效宽度≤
如 308=B 则可知: 补强圈 3000=D í 厚度 'δ
若 n δδ5.1>， 采用补强圈不合适，该用其他方法补强。
2工艺设计
设计要求
设计温度 体内：<200 C 夹套：250 C 介质 体内：聚乙烯
夹套内：蒸汽
搅拌形式 桨式 操作容器 3.0 m 3
连续釜式反应器工艺设计
2.2.1单段连续釜式反应器
()φφ
A A
A R
r x F V V -=
=
0, （1）
其中 F A ,0—每秒钟所处理的物料摩尔数，kmol/s 。 对于一级反应：（-γA ）=kC A =kC A,O （1—A x ）
则有效反应体积：()
()
20,00,0,1A
A A A A A A R KC C C V x kC x F V -=
-=
其中 V 0—每秒所处理的物料体积，m 3/s 对于二级反应：（-γA ）=
(
)2
20,21A A A x kC kC -=，代入式（1）中
则有效反应体积为：V R =
()
()
2
0,02
0,01A
A A A A A
kC C C V x kC x V -=
-
其中 A x —转化率，其它符号同前。
2.2.2反应器直径和高度的计算
在已知搅拌器的操作容积后，首先要选择罐体适宜的长径比(H/Di)，以确定罐体直径和高度。选择罐体长径比主要考虑以下两方面因素：
1、长径比对搅拌功率的影响：在转速不变的情况下，PD 5（其中D —搅拌器直径，P —搅拌功率），P 随釜体直径的增大，而增加很多，减小长径比只能无谓地损耗一些搅拌功率。因此一般情况下，长经比应选择大一些。
2、长径比对传热的影响：当容积一定时，H/Di 越高，越有利于传热。长径比的确定通常采用经验值.即表2-1 表2-1 罐体长径比经验表
种类 罐体物料类型 H/Di 一般搅拌罐
液—固或液—液相物料
1～
气—液相物料
1～2 发酵罐类
～
在确定了长径比和装料系数之后，先忽略罐底容积，此时
????
??≈
≈
i i i D H D H D V 3244
π
π
（2）
将上式计算结果圆整成标准直径，代入下式得出罐体高度
????
??-?=?-=
v V D D v V H R i i φπ
π1
4422
（3）
其中 v —封头容积
3 机械设计
手孔的开孔补强计算
该反应釜公称直径Di=1400mm ，由概述内容可得：
圆筒
??????
?
≤≤≤≤≤≤mm D d D mm D d D i
i i
i 10003150052021500max max 且时，且时，
允许不补强时开的最大孔直径 ① P c ≤
②开孔中心距A>=两孔直径和的2倍. ③接管外径d 0≤89mm
④接管最小壁厚min σ满足表内要求.
3.1.1计算是否需要补强
已知Pc=P=4Mpa>，Di=1400mm ，查GBl50表4一l 得[]t σ=133MPa ，按开孔可
能通过焊接接头考虑取
=O ．85，把数据代人上式得：
=Pc*Di ／(2
[]t
σ-Pc)=4×1400／(2×133 * 0．85-4)=25.3mm
取C=C l +C 2=0+1=1．0,式中C 为厚度附加量，mm C l 为钢板或钢管的厚度负偏差，mm C2为腐蚀裕度，mm
按照GBl5l 一1999《反应釜》中规定的筒体的最小厚度确定该筒体壁厚为：
d δ=
min+C1=6+0=6.0mm
考虑腐蚀裕度圆整为n δ=7mm 其中，n δ为壳体开孔处的名义厚度，mm 。
因为
n δ—C=7—=
2
=2×=50.6mm
所以n δ-C<2
，必须进行开孔补强
3.1.2计算开孔失去的面积A. 由=，得：A=×= 所以开手孔失去的面积为
3.1.3计算有效补强面积A 0 A 0=A 1+A 2+A 3
B=2d 代人数据的：A 0=A=
进料口的开孔补强计算
3.2.1计算是否需要补强
因为本反应釜设计中取进料口开孔中心距A>=两孔直径和的2倍. 由手孔开孔补强计算步骤得:
已知Pc=P=4Mpa>，d=300mm ，查GBl50表4一l 得[]t σ=264MPa ，按开孔可能
通过焊接接头考虑取=1．25，把数据代人上式得：
=Pc*Di ／(2
[]t
σ-Pc)=4×300／(2×264 * 1．25-4)=1.83mm
取C=C l +C 2=0+1=1．0,式中C 为厚度附加量，mm C l 为钢板或钢管的厚度负偏差，mm C2为腐蚀裕度，mm
按照GBl5l 一1999《反应釜》中规定的筒体的最小厚度确定该筒体壁厚为：
d δ=
min+C1=6+0=6.0mm
考虑腐蚀裕度圆整为n δ=7mm
其中，n δ为壳体开孔处的名义厚度，mm 。
因为
n δ—C=7—=
2=2×=3.66mm
所以
n δ-C >2
，不需要进行开孔补强
4补强结构图
图1 加强管补强
图2 整体锻件补强
图3 补强圈补强
5总结
为满足各种工艺和结构上的要求，在高压容器上一般都需要开孔和安装接管。所以针对不同的设备就需要不同的开孔补强设计方法，主要有等面积补强法、弹性应力分析法、极限分析法、PVRC法、实验屈服法和压力面积法。但无论使用哪种设计方法，都要遵循以上开孔补强的设计准则。当开孔率超出GB150的规定范围时，应采用应力分析方法或有成功使用经验的对比试验设计。
开孔补强设计是为降低应力集中系数,而作的计算与结构设计，所以在做开孔补强的机械设计时，首先要根据容器开孔位置开孔最大直径确定是否需要开孔补强，若不需要则不必补强，如果需要开孔补强则要计算开孔失去的面积，最后计算有效补强面积，如果开孔失去面积等于有效补强面积则开孔补强计算完成，可以进行开孔补强了。
6参考文献
【1】GBl50—1998，钢制压力容器．
【2】喻健良.化工设备机械基础.大连理工大学出版社，304-315.
【3】朱智. 简便计算在压力容器开孔补强中的应用.【4】杨文玲等.高压容器3种开孔补强方法比较.自评得分
压力容器常用开孔补强方法对比分析 集团公司文件内部编码：（TTT-UUTT-MMYB-URTTY-ITTLTY-
压力容器常用开孔补强方法对比分析压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。本文对这两种方法作以比较和分析。 在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。 开孔补强基本原理 2.1.等面积法 该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随
着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力。 等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。 2.2.分析法 这种补强方法是以壳体极限分析为基础的，相对等面积法合理得多，但须受开孔壳体和补强接管的尺寸限制。这种方法优点是：克服等面积法的缺点，在转角处采用圆滑过渡，减少结构形状的突变，减小应力集中程度。将补强面积集中在应力最高点，充分利用补强面积，使补强更经济、合理。 对比分析 3.1.等面积法 等面积法顾名思义：壳体截面因开孔被削弱的承受强度的面积，须有补强材料予以等面积补偿，其实质是壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的“强度面积”A乘以壳体材料在设计温度下的许用应力[σ]t，即
2.1.1 概述 轴是机械中非常重要的零件，用来支承回转运动零件，如带轮、齿轮、蜗轮等，同时实现同一轴上不同零件间的回转运动和动力的传递。1. 轴的分类 根据工作过程中轴的中心线形状的不同，轴可以分为：直轴和曲轴。根据工作过程中的承载不同，可以将轴分为： ?传动轴：指主要受扭矩作用的轴，如汽车的传动轴。 ?心轴：指主要受弯矩作用的轴。心轴可以是转动的，也可以是不转动的。 ?转轴：指既受扭矩，又受弯矩作用的轴。转轴是机器中最常见的轴。 根据轴的外形，可以将直轴分为光轴和阶梯轴；根据轴内部状况，又 可以将直轴分为实心轴和空。 2. 轴的设计 ⑴ 轴的工作能力设计。 主要进行轴的强度设计、刚度设计，对于转速较高的轴还要进行振动稳定性的计算。
⑵ 轴的结构设计。 根据轴的功能，轴必须保证轴上零件的安装固定和保证轴系在机器中的支撑要求，同时应具有良好的工艺性。 一般的设计步骤为：选择材料，初估轴径，结构设计，强度校核，必要时要进行刚度校核和稳定性计算。校核结果如不满足承载要求时，则必须修改原结构设计结果，再重新校核。 3. 轴的材料 轴是主要的支承件，常采用机械性能较好的材料。常用材料包括：?碳素钢：该类材料对应力集中的敏感性较小，价格较低，是轴类零件最常用的材料。常用牌号有：30、35、40、45、50。采用优质碳钢时，一般应进行热处理以改善其性能。受力较小或不重要的轴，也可以选用Q235、Q255等普通碳钢。 ?合金钢：对于要求重载、高温、结构尺寸小、重量轻等使用场合的轴，可以选用合金纲。合金钢具有更好的机械性能和热处理性能，但对应力集中较敏感，价格也较高。设计中尤其要注意从结构上减小应力集中，并提高其表面质量。 ?铸铁：对于形状比较复杂的轴，可以选用球墨铸铁和高强度的铸铁。它们具有较好的加工性和吸振性，经济性好且对应力集中不敏感，但铸造质量不易保证。 2.1.2 轴的结构设计
目录 1前言及概念3 1.1开孔补强的适应范围和方法 (3) 1.2满足开孔条件时，可采用的三种补强方法 (3) 1.3开孔补强的目的 (4) 1.4补强结构(补强元件类型) (4) 1.4.1加强管补强 (4) 1.4.2整体锻件补强 (4) 1.4.3加强圈的补强 (4) 1.5壳体开孔的有关规定 (5) 1.5.1允许不补强时开的最大孔直径 (5) (5) 1.5.2壳体上允许开的最大孔直径d max 1.6等面积补强计算方法 (6) 1.6.1各国压力容器规范主要采用的准则(补强准则的种类) (6) 1.6.2等面积补强的原则 (6) 1.6.3等面积补强计算方法 (6) 2工艺设计 8 2.1设计要求 (8) 2.2连续釜式反应器工艺设计 (8) 2.2.1单段连续釜式反应器 (8) 2.2.2反应器直径和高度的计算 (9) 3 机械设计9 3.1手孔的开孔补强计算 (9) 3.1.1计算是否需要补强 (10) 3.1.2计算开孔失去的面积A (10) 3.1.3计算有效补强面积A (11) 3.2进料口的开孔补强计算 (11) 3.2.1计算是否需要补强 (11) 4补强结构图12 5总结13 6参考文献 13
1前言及概念 在日常的压力容器设计工作中，经常会遇到压力容器开孔补强问题。压力容器开孔以后，不仅整体强度受到削弱，而且还因开孔引起的应力集中造成开孔边缘局部的高应力，加上接管上有时还有其他的外载荷所产生的应力及热应力，而容器材料、以及开孔结构在制造和焊接过程中又不可避免地会形成缺陷和残余应力，开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位，于是开孔附近就往往成为压力容器的破坏源一一主要是疲劳破坏和脆性裂口。因此，按照GBl50-1998Ⅸ钢制压力容器》的规定，在压力容器设计过程中必须充分考虑开孔的补强问题。 1.1开孔补强的适应范围和方法 (1)当其内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤1／2Di，且d≤520mm；当其内径D≥1500mm时， 开孔最大直径d≤l／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(或锥形封头)的开孔最大直径d≤1／3Di，Di为开孔中心处的锥壳内直径； (4)在椭圆形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。 1.2满足开孔条件时，可采用的三种补强方法 (1)补强圈补强 补强圈补强结构简单，制造方便，有一定的补强效果。但和其它补强结构相比，补强区较为分散，补强效果不佳，补强后的应力集中系数比较大。由于补强圈并未和壳体、接管形成整体，所以其抗疲劳性很差，一般常用于静压、常温下的中低压容器。对于缺口敏感性较高的低合金高强度钢制容器，采用此种补强结构时尤需慎重，高温、高压或承受变载荷的容器，则不宜采用此种补强形式。鉴于补强圈搭接结构会引起较大的局部应力，且高强度钢的淬硬性强，易产生焊接裂纹，故在超出GBl50—1998对其适用条件范围时，宜采用整锻件补强或整体加厚壳体补强。 (2)整锻件补强(包括用全焊透焊缝连接的厚壁管补强) 采用整锻件补强，所有补强区域集中在应力集中区，能有效地降低应力集中系数，故补强效果好。由于补强件和壳体、接管之间的焊接采用对接焊缝，焊接质量可保证，并使焊缝及热影响区离开最大应力点的位置，故抗疲劳性能好。常用于o S≥500MPa的容器开孔及在低温、高温或受交变载荷的大直径容器开孔。缺点是锻件供应困难，制造繁琐，成本较高，只在重要的设备中使用。采用厚壁管补强，接管的加厚部分处于最大的应为区域内，比补强圈更能有效地降低应力集中系数。这种形式结构简单，制造与检验都很方便，但必须保证全焊透焊接。对于低合金高强度钢，由于它比一般低碳钢有较高的缺口敏感性，所以一般都采用厚壁管补强型式。 (3)整体加厚壳体补强 整体加厚壳体补强结构是以增加整个简体或封头的壁厚来降低开孔附近的应力，其开孔补强计算可按等面积补强法进行计算。根据理论和实验分析，开孔后的应力集中现象有明显
1 V带轮结构设计和张紧装置 一、V带轮设计 1、V带轮设计的要求 质量小、结构工艺性好、无过大的铸造内应力；质量分布均匀，转速高时要经过动平衡；轮槽工作面要精细加工(表面粗糙度一般应为3.2)，以减小带的磨损；各槽的尺寸和角度应保持一定的精度，以使载荷分布较为均匀。 2、带轮的材料 带轮的材料主要采用铸铁，常用材料的牌号为HT150或HT200；转速较高时宜采用铸钢(或用钢板冲压后焊接而成)；小功率时可用铸铝或塑料。 3、结构形式 铸铁制V带轮的典型结构形式有三种： (a)实心式(b)腹板式(c)轮辐式 图5-11 带轮的结构形式 (1)实心式：带轮基准直径小于3d(d为轴的直径)时； (2)腹板式：带轮基准直径小于300～350mm时；
(3)轮辐式：带轮基准直径大于300～350mm时。 带轮的结构设计主要是根据带轮的基准直径选择结构形式，并根据带的型号及根数确定轮缘宽度，根据带的型号确定轮槽尺寸(表5-9)。 表5-9 V带轮的轮槽尺寸
二、V带传动的张紧装置 各种材质的V带都不是完全的弹性体，在预紧力的作用下，经过一定时间的运转后，就会由于塑性变形而松弛，使初拉力降低。为了保证带传动的能力，应定期检查初拉力的数值。如发现不足时，必须重新张紧，才能正常工作。常见的张紧装置有以下几种： 1、定期张紧装置 图5-12 定期张紧 采用定期改变中心距的方法来调节带的预紧力，使带重新张紧。 2、自动张紧装置 图5-13 自动张紧
将装有带轮的电动机安装在浮动的摆架上，利用带轮的自重，使带轮随同电动机绕固定轴摆动，以自动保持张紧力。 3、采用张紧轮的装置 图5-13 张紧轮张紧 当中心距不能调节时，可采用张紧轮将带张紧。张紧轮一般应放在松边内侧，使带只受单向弯曲，同时张紧轮还应尽量靠近大轮，以免过份影响小带轮的包角。若张紧轮置于松边外侧，则应尽量靠近小带轮。张紧轮的轮槽尺寸与带轮的相同，且直径小于小带轮的直径。 二、普通V带传动设计 1、确定设计功率 ＝ 式中：K A为工况系数(表5-6)； P为所需传递的功率。 表5-6 工况系数K A
压力容器开孔接管处的应力分类 及补强设计方法的比较 王 磊Ξ (南通职业大学) 摘 要 针对压力容器在开孔部位尤其大开孔接管部位具有严重的应力集中现象,从应力分类的基本原理出发,分析了开孔边缘的复杂应力状态,并对大开孔有限元应力分析结果的应力分类评定提出建议;比较分析了几种大开孔补强方法的异同点,阐述了工程设计中如何进行应力分类和选择合适的补强方法,对一些有争议的问题提出了作者的观点。 关键词 应力分类 分析设计 开孔补强方法 有限元分析 AS ME法 中图分类号 T Q05113 文献标识码 A 文章编号 025426094(2004)0520307205 应力分类概念在压力容器设计中应用已相当广泛,应力分类的方法主要用于压力容器的分析设计,对某些结构,在常规设计标准G B15021998或G B15121999中也引入了应力分类的概念。对于压力容器,由于工艺流程的需要,不可避免地要在主要受压件上开孔,由此必然会在开孔边缘形成比较复杂的应力状态。如何正确地进行应力分析及采取相应的应力分类方法,是工程设计人员首先要考虑的。本文从应力分类的基本原理出发,阐述如何对压力容器开孔接管处的应力进行分类,以及相应的补强方法。 1 应力分类的基本思想 按应力分类准则[1],应力分为以下3类: a.一次应力是为平衡外加的机械载荷而在容器受压元件中直接产生的正应力或剪应力,其基本特征是无自限性。一次应力对应静力强度问题,控制一次应力是为了保证结构在一次加载条件下的总体静力强度,是必须首先满足的。 b.二次应力是为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所需的正应力或剪应力,其基本特征是具有自限性。二次应力对应安定性问题,控制二次应力是为了保证相邻元件在变形协调过程中,避免产生过大的塑性变形,以防止在多次加载条件下发生拉伸与压缩交替的塑性变形而产生大应变疲劳破坏。局部薄膜应力虽然也有二次应力的特点,但该应力沿整个壁厚方向是均布的,故仍保守地视为一次应力,但在工程应用中允许其达到屈服限。 c.峰值应力是由局部结构不连续或局部热应力影响而引起的附加于一次加二次应力的应力增量,其特征是同时具有自限性与局部性。峰值应力对应疲劳强度,控制峰值应力是保证结构局部高应力区域不会在频繁加载条件下发生从裂纹萌生、扩展直至造成断裂的疲劳破坏。因此,仅在需进行疲劳设计的场合才计算峰值应力。 自限性是区分3类应力的核心。无自限应力为一次应力;有自限的应力根据所满足的变形协调的意义分为二次应力和峰值应力。满足板壳理论中面变形协调条件,即总体结构连续要求产生的应力为二次应力;满足局部结构连续要求产生的应力为峰值应力,通常发生于夹角处。 2 壳体开孔接管处的应力分类 按照文献[1]的应力分类法,压力容器开孔后,接管与壳体连接部位引起的应力有:沿壁厚方 Ξ王 磊,女,1968年7月生,工程师。江苏省南通市,226007。
一、轴的分类 按承受的载荷不同, 轴可分为： 转轴——工作时既承受弯矩又承受扭矩的轴。如减速器中的轴。虚拟现实。 心轴——工作时仅承受弯矩的轴。按工作时轴是否转动，心轴又可分为： 转动心轴——工作时轴承受弯矩，且轴转动。如火车轮轴。 固定心轴——工作时轴承受弯矩，且轴固定。如自行车轴。虚拟现实。 传动轴——工作时仅承受扭矩的轴。如汽车变速箱至后桥的传动轴。 固定心轴转动心轴
转轴 传动轴 二、轴的材料 轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。 由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造尤为广泛，其中最常用的是45号钢。 合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。 必须指出：在一般工作温度下（低于200℃），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此在选择钢的种类和决定钢的热处理方法时，所根据的是强度与耐磨性，而不是轴的弯曲或扭转刚度。但也应当注意，在既定条件下，有时也可以选择强度较低的钢材，而用适当增大轴的截面面积的办法来提高轴的刚度。
各种热处理（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等）以及表面强化处理（如喷丸、滚压等），对提高轴的抗疲劳强度都有着显著的效果。 高强度铸铁和球墨铸铁容易作成复杂的形状，且具有价廉，良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，可用于制造外形复杂的轴。 轴的常用材料及其主要力学性能见表。
【结构设计校核方法】 【校对原则】 ※ 能按建筑设计意图将结构骨架搭建起来 ※ 在搭建过程中注意不与建筑、设备发生冲突，做到不错不漏，不碰不缺 ※ 注意结构自身合理性，不合理的要与建筑协商解决 ※ 将设计意图表示完全，表达清楚 ※ 一套图的设计参数是否统一 【校对顺序】 图面――模板――配筋――说明，检查完一项打一个勾。 【图面校对】 ○是否有异常文字和标注（文字为?号，大小不统一，标注与实际长度不符或非整数）； ○是否有多余文字、尺寸线和多余轴线； ○轴线、梁线等线型是否正确，线宽是否合适； ○文字是否被重叠，被覆盖； ○墙、柱、后浇带等是否有漏、多余填充或错误填充；不同类型是否用了相同的填充式样； ○出图比例是否异常，所注比例是否正确； ○图签中图名、图号、工程名称、出图时间是否正确。 ○文字表达是否通顺 【平面模板图校对】 ①轴线 ○轴号、尺寸是否有误、是否与建筑图对应 ○总尺寸是不是分尺寸之和 ○角度是否够精度，斜交轴网以长轴两端定位，避免以起点和角度定轴线 ○有没有未定位的轴线，有没有多余轴号 ○圆弧轴线有没有注明半径，圆心有没有定位 ②轮廓与标高 ○结构轮廓与建筑是否一致 ○结构平面各部分的标高是否标明，是否与建筑相应位置符合，注意建筑覆土范围、各层卫生间、室外露台，屋顶花园，台阶位置、电梯底坑、水池的吸水槽、公共厨房与肉菜市场等 需垫高的场所 ○结构变标高位置及反梁是否为实线，有没有实线与虚线相交的地方 ○天面、地下室平面是否为结构找坡，若建筑找坡是否考虑找坡荷载 ○与邻接区域的梁、板连接关系与分缝是否正确。 ○建筑、设备在板上开的洞有没有遗漏
③柱、墙位 ○下层墙柱有没有用虚粗线表示，是否画了不该升上的墙柱,是否画了梁上柱○墙柱是否与建筑一致，在位置和尺寸上是否有影响建筑使用 ○建筑、设备在混凝土墙上开的洞有没有漏 ○注意墙、柱顶标高是否满足建筑标高，是否满足梁板的搭接要求 ④梁 ○房屋周圈梁是否等高，注意其与建筑周圈墙的关系 ○逐条检查梁的定位、编号、尺寸和跨数以及梁顶标高与板面标高关系是否正确 ○梁高宽是否异常。如悬挑梁高小于跨度的1/6，一般梁高小于跨度的1/15，梁尺寸过大影 响建筑开门窗或楼梯间等。 ○有没有高梁搭在矮梁上 ○有没有梁位置不妥，如跨过厅房等。梁布置是否影响了建筑美观○梁平齐的优先顺序：厅、主房、客房、楼梯通道、厨厕、储物间等。 ⑤楼电梯 ○有没有注上编号 ○电梯底坑标高有无遗漏，机房部位是否封板，机房顶部是否加吊钩 ○楼梯柱是否已表示且定位 ○楼梯起步位置有没有表示 ⑥开洞与井沟 ○风井，水电井、烟道是否遗漏 ○洞的定位、大小与洞边加强处理（洞边长大于12倍板厚的需加梁） ○集水井、沟、天面排水沟是否遗漏，定位与大小是否与建筑一致 ⑦大样、构造柱 ○外飘窗台，女儿墙，立面要求的构造柱、墙，雨蓬等是否与主体结构有效连接（以主体结 构为支座）在平面上的投影是否正确。 ○其定位、尺寸是否完整 ○大样详图在平面上是否有表示，是否与编号对应，标高、定位轴线与平面是否对应 ⑧大样引出号 注意剖切方向和索引图号。索引位置是否正确。相应大样是否存在 ⑨后浇带 后浇带间距是否大于55米，是否定位，是否穿过框架梁等重要结构及受力较大部位。地下 室平面与侧墙后浇带定位是否一致 ⑩模板图说明 ○楼层基本标高是否明确，混凝土强度等级抗渗等级 ○特殊楼板厚有没有说明
压力容器常用开孔补强方法对比分析 压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。本文对这两种方法作以比较和分析。 在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。 开孔补强基本原理 2.1.等面积法 该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，
而且还产生很高的弯曲应力。 等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。 2.2.分析法 这种补强方法是以壳体极限分析为基础的，相对等面积法合理得多，但须受开孔壳体和补强接管的尺寸限制。这种方法优点是：克服等面积法的缺点，在转角处采用圆滑过渡，减少结构形状的突变，减小应力集中程度。将补强面积集中在应力最高点，充分利用补强面积，使补强更经济、合理。 对比分析 3.1.等面积法 等面积法顾名思义：壳体截面因开孔被削弱的承受强度的面积，须有补强材料予以等面积补偿，其实质是壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的“强度面积”A乘以壳体材料在设计温度下的许用应力[σ]t，即A[σ]t，应由补强材料予以补偿，当补强材料与壳体材料相同时，
第二章 轴的强度校核方法 常用的轴的强度校核计算方法 进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。 对于传动轴应按扭转强度条件计算。 对于心轴应按弯曲强度条件计算。 对于转轴应按弯扭合成强度条件计算。 2.2.1按扭转强度条件计算： 这种方法是根据轴所受的扭矩来计算轴的强度，对于轴上还作用较小的弯矩时，通常采用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。通常在做轴的结构设计时，常采用这种方法估算轴径。 实心轴的扭转强度条件为： 由上式可得轴的直径为 为扭转切应力，MPa 式中： T 为轴多受的扭矩，N ·mm T W 为轴的抗扭截面系数，3mm n 为轴的转速，r/min P 为轴传递的功率，KW d 为计算截面处轴的直径，mm 为许用扭转切应力，Mpa ，][r τ值按轴的不同材料选取，常用轴的材料及] [r τ值见下表： 表1 轴的材料和许用扭转切应力 空心轴扭转强度条件为： d d 1 = β其中β即空心轴的内径1d 与外径d 之比，通常取β=这样求出的直径只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径。例如，在设计一级圆柱齿轮减速器时，假设高速轴输入功率P1=，输入转速n1=960r/min ，则可根据上式进行最小直径估算，若最小直径轴段开有键槽，还要考虑键槽对轴的强度影响。 T τ[]T τ
根据工作条件，选择45#钢，正火，硬度HB170-217，作为轴的材料，A0值查表取A0=112，则 因为高速轴最小直径处安装联轴器，并通过联轴器与电动机相连接，设有一个键槽，则： 另外，实际中，由于减速器输入轴通过联轴器与电动机轴相联结，则外伸段轴径与电动机轴径不能相差太大，否则难以选择合适的联轴器，取电动机轴d d 8.0'min =，查表，取mm d 38=电动机轴,则： 综合考虑，可取mm d 32'min = 通过上面的例子，可以看出，在实际运用中，需要考虑多方面实际因素选择轴的直径大小。 2.2.2按弯曲强度条件计算： 由于考虑启动、停车等影响，弯矩在轴截面上锁引起的应力可视为脉动循环变应力。 则 其中： M 为轴所受的弯矩，N ·mm W 为危险截面抗扭截面系数(3mm )具体数值查机械设计手册~17. ][1σ为脉动循环应力时许用弯曲应力(MPa)具体数值查机械设计手册 2.2.3按弯扭合成强度条件计算 由于前期轴的设计过程中，轴的主要结构尺寸轴上零件位置及外载荷和支反力的作用位置均已经确定，则轴上载荷可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。 一般计算步骤如下： (1)做出轴的计算简图：即力学模型 通常把轴当做置于铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型及布置方式有关，现在例举如下几种情况： 图1 轴承的布置方式 当L e d L 5.0,1≤/=,d e d L 5.0,1/=>但不小于（~）L ，对于调心轴承e=0.5L 在此没有列出的轴承可以查阅机械设计手册得到。通过轴的主要结构尺寸轴上零件位置及外载荷和支反力的作用位置，计算出轴上各处的载荷。通过力的分解求出各个分力，完成轴的受力分析。 ][7.1][≤1-0σσσ== W M ca
第13章 压力容器的开孔与补强 本章重点内容及对学生的要求： （1） 回转壳体上开小孔造成的应力集中； （2） 开孔补强的原则、补强结构和补强计算； （3） 不另行补强的要求； （4） GB150-98对容器开孔及补强的有关规定。 第一节 容器开孔附近的应力集中 1、 相关概念 （1）容器开孔应力集中（Opening and stress concentration ） 在压力容器或设备上开孔是化工过程操作所决定的，由于工艺或者结构的需要，容器上经常需要开孔并安装接管，例如：人孔、手孔、进料与出料口等等。容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下列影响： ◆ 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。 ◆ 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。 ◆ 壳体与接管连接的拐角处因不等截面过渡而引起应力集中。 上述三种因素均使开孔或开孔接管部位的引力比壳体中的膜应力大，统称为开孔或接管部位的应力集中。 （2）应力集中系数（stress concentration factor ） 常用应力集中系数Kt 来描述开孔接管处的力学特性。若未开孔时的名义应力为σ，开孔后按弹性方法计算出的最大应力为σmax ，则弹性应力集中系数为： σ σmax = t K （1） 压力容器设计中对于开孔问题研究的两大方向是： ? 研究开孔应力集中程度，估算K t 值； ? 在强度上如何使因开孔受到的削弱得到合理的补强。 2、平板开小孔的应力集中 Fig. 1 Variation in stress in a plate containing a circular hole and subjected to uniform tension
第二章 轴的强度校核方法 常用的轴的强度校核计算方法 进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。 对于传动轴应按扭转强度条件计算。 对于心轴应按弯曲强度条件计算。 对于转轴应按弯扭合成强度条件计算。 2.2.1按扭转强度条件计算： 这种方法是根据轴所受的扭矩来计算轴的强度，对于轴上还作用较小的弯矩时，通常采用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。通常在做轴的结构设计时，常采用这种方法估算轴径。 实心轴的扭转强度条件为： 由上式可得轴的直径为 为扭转切应力，MPa 式中： T 为轴多受的扭矩，N ·mm T W 为轴的抗扭截面系数，3mm n 为轴的转速，r/min P 为轴传递的功率，KW d 为计算截面处轴的直径，mm 为许用扭转切应力，Mpa ，][r τ值按轴的不同材料选取，常用轴的材料及][r τ值见下表： T τn P A d 0≥[]T T T d n P W T ττ≤2.09550000≈3=[]T τ
空心轴扭转强度条件为： d d 1=β其中β即空心轴的内径1d 与外径d 之比，通常取β=这样求出的直径只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径。例如，在设计一级圆柱齿轮减速器时，假设高速轴输入功率P1=，输入转速n1=960r/min ，则可根据上式进行最小直径估算，若最小直径轴段开有键槽，还要考虑键槽对轴的强度影响。 根据工作条件，选择45#钢，正火，硬度HB170-217，作为轴的材料，A0值查表取A0=112，则 mm n P A d 36.15960 475.2112110min =?== 因为高速轴最小直径处安装联轴器，并通过联轴器与电动机相连接，设有一个键槽，则： mm d d 43.16%)71(36.15%)71(min ' min =+?=+= 另外，实际中，由于减速器输入轴通过联轴器与电动机轴相联结，则外伸段轴径与电动机轴径不能相差太大，否则难以选择合适的联轴器，取电动机轴d d 8.0'min =，查表，取mm d 38=电动机轴,则： mm d d 4.3038*8.08.0' min ===电动机轴 综合考虑，可取mm d 32'min = 通过上面的例子，可以看出，在实际运用中，需要考虑多方面实际因素选择轴的直径大小。 2.2.2按弯曲强度条件计算： 由于考虑启动、停车等影响，弯矩在轴截面上锁引起的应力可视为脉动循环变应力。 则 其中： M 为轴所受的弯矩，N ·mm W 为危险截面抗扭截面系数(3mm )具体数值查机械设计手册][7.1][≤1-0σσσ==W M ca
目录 1前言及概念 2 1.1开孔补强的适应范围和方法 (2) 1.2满足开孔条件时，可采用的三种补强方法 (2) 1.3开孔补强的目的 (3) 1.4补强结构(补强元件类型) (3) 1.4.1加强管补强 (3) 1.4.2整体锻件补强 (3) 1.4.3加强圈的补强 (3) 1.5壳体开孔的有关规定 (4) 1.5.1允许不补强时开的最大孔直径 (4) 1.5.2壳体上允许开的最大孔直径d max (4) 1.6等面积补强计算方法 (5) 1.6.1各国压力容器规范主要采用的准则(补强准则的种类) (5) 1.6.2等面积补强的原则 (5) 1.6.3等面积补强计算方法 (5) 2工艺设计7 2.1设计要求 (7) 2.2连续釜式反应器工艺设计 (7) 2.2.1单段连续釜式反应器 (7) 2.2.2反应器直径和高度的计算 (8) 3 机械设计 8 3.1手孔的开孔补强计算 (8) 3.1.1计算是否需要补强 (9) 3.1.2计算开孔失去的面积A. (9) 3.1.3计算有效补强面积A0 (10) 3.2进料口的开孔补强计算 (10) 3.2.1计算是否需要补强 (10) 4补强结构图11 5总结12 6参考文献12
1前言及概念 在日常的压力容器设计工作中，经常会遇到压力容器开孔补强问题。压力容器开孔以后，不仅整体强度受到削弱，而且还因开孔引起的应力集中造成开孔边缘局部的高应力，加上接管上有时还有其他的外载荷所产生的应力及热应力，而容器材料、以及开孔结构在制造和焊接过程中又不可避免地会形成缺陷和残余应力，开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位，于是开孔附近就往往成为压力容器的破坏源一一主要是疲劳破坏和脆性裂口。因此，按照GBl50-1998Ⅸ钢制压力容器》的规定，在压力容器设计过程中必须充分考虑开孔的补强问题。 1.1开孔补强的适应范围和方法 (1)当其内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤1／2Di，且d≤520mm；当其内径D≥1500mm时， 开孔最大直径d≤l／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(或锥形封头)的开孔最大直径d≤1／3Di，Di为开孔中心处的锥壳内直径； (4)在椭圆形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。 1.2满足开孔条件时，可采用的三种补强方法 (1)补强圈补强 补强圈补强结构简单，制造方便，有一定的补强效果。但和其它补强结构相比，补强区较为分散，补强效果不佳，补强后的应力集中系数比较大。由于补强圈并未和壳体、接管形成整体，所以其抗疲劳性很差，一般常用于静压、常温下的中低压容器。对于缺口敏感性较高的低合金高强度钢制容器，采用此种补强结构时尤需慎重，高温、高压或承受变载荷的容器，则不宜采用此种补强形式。鉴于补强圈搭接结构会引起较大的局部应力，且高强度钢的淬硬性强，易产生焊接裂纹，故在超出GBl50—1998对其适用条件范围时，宜采用整锻件补强或整体加厚壳体补强。 (2)整锻件补强(包括用全焊透焊缝连接的厚壁管补强) 采用整锻件补强，所有补强区域集中在应力集中区，能有效地降低应力集中系数，故补强效果好。由于补强件和壳体、接管之间的焊接采用对接焊缝，焊接质量可保证，并使焊缝及热影响区离开最大应力点的位置，故抗疲劳性能好。常用于o S≥500MPa的容器开孔及在低温、高温或受交变载荷的大直径容器开孔。缺点是锻件供应困难，制造繁琐，成本较高，只在重要的设备中使用。采用厚壁管补强，接管的加厚部分处于最大的应为区域内，比补强圈更能有效地降低应力集中系数。这种形式结构简单，制造与检验都很方便，但必须保证全焊透焊接。对于低合金高强度钢，由于它比一般低碳钢有较高的缺口敏感性，所以一般都采用厚壁管补强型式。 (3)整体加厚壳体补强 整体加厚壳体补强结构是以增加整个简体或封头的壁厚来降低开孔附近的应力，其开孔补强计算可按等面积补强法进行计算。根据理论和实验分析，开孔后的应力集中现象有明显
Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2017, 6(2), 116-127 Published Online June 2017 in Hans. https://www.doczj.com/doc/fc14641404.html,/journal/met https://https://www.doczj.com/doc/fc14641404.html,/10.12677/met.2017.62017 文章引用: 刘京东, 钱才富. 平板矩形大开孔结构补强设计及效果研究[J]. 机械工程与技术, 2017, 6(2): 116-127. Study of the Reinforcement Design and Effects on the Structure of a Plate with a Large Rectangular Opening Jingdong Liu, Caifu Qian College of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing Received: May 23rd , 2017; accepted: Jun. 4th , 2017; published: Jun. 9th , 2017 Abstract In this paper, finite element method is applied to simulate the stress distribution at the structure of a plate with a large retangular opening under the transverse pressure with the concentration on the reinforcement methods and effects. It is found that the maximum stress occurs at the round corner of the nozzle at the opening and the stress is mainly the bending one. Unlike on a cylinder, a reinforcement ring is not effective to reinforce the plate with rectangular opening. By increasing the bending stiffness, adding the nozzle thickness or applying reinforcement ribs can effectively reinforce the strength of the plate with opening. Specifically, when the reinforcement ribs are parallel to the short edge of the nozzle at the opening and close to the round corner, the reinforcing effect is the most significant. Keywords Plate with Opening, Reinforcement Design, Stress Analysis 平板矩形大开孔结构补强设计及效果研究 刘京东，钱才富 北京化工大学，机电工程学院，北京 收稿日期：2017年5月23日；录用日期：2017年6月4日；发布日期：2017年6月9日 摘 要 本文采用有限元法，模拟了带有矩形大开孔的平板在压力作用下的应力分布及特点，并研究了强度补强方法与补强效果，发现最大应力出现在大开孔接管圆弧拐角处，结构上的应力主要是弯曲应力；和圆筒体开孔结构不同，平板补强圈补强没有明显效果，甚至适得其反；而由于增加了结构的弯曲刚度，厚壁
1.2 轴类零件的分类 根据承受载荷的不同分为： 1）转轴：定义：既能承受弯矩又承受扭矩的轴 2）心轴：定义：只承受弯矩而不承受扭矩的轴 3）传送轴：定义：只承受扭矩而不承受弯矩的轴 4）根据轴的外形，可以将直轴分为光轴和阶梯轴； 5）根据轴内部状况，又可以将直轴分为实心轴和空。 1.3轴类零件的设计要求 ⑴轴的工作能力设计。 主要进行轴的强度设计、刚度设计，对于转速较高的轴还要进行振动稳定性的计算。 ⑵轴的结构设计。 根据轴的功能，轴必须保证轴上零件的安装固定和保证轴系在机器中的支撑要求，同时应具有良好的工艺性。 一般的设计步骤为：选择材料，初估轴径，结构设计，强度校核，必要时要进行刚度校核和稳定性计算。 轴是主要的支承件，常采用机械性能较好的材料。常用材料包括： 碳素钢：该类材料对应力集中的敏感性较小，价格较低，是轴类零件最常用的材料。 常用牌号有：30、35、40、45、50。采用优质碳素钢时应进行热处理以改善其性能。受力较小或不重要的轴，也可以选用Q235、Q255等普通碳钢。 45钢价格相对比较便宜，经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达45-52HRC，是轴类零件的常用材料。 合金钢具有更好的机械性能和热处理性能，可以适用于要求重载、高温、结构尺寸小、重量轻等使用场合的轴，但对应力集中较敏感，价格也较高。设计中尤其要注意从结构上减小应力集中，并提高其表面质量。40Cr等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质和淬火后，具有较好的综合机械性能。 轴承钢GCr15和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达50-58HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。 精密机床的主轴（例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAIA氮化
文件编号：GD/FS-2254 （解决方案范本系列） 压力容器常用开孔补强方法对比分析详细版 A Specific Measure To Solve A Certain Problem, The Process Includes Determining The Problem Object And Influence Scope, Analyzing The Problem, Cost Planning, And Finally Implementing. 编辑：_________________ 单位：_________________ 日期：_________________
压力容器常用开孔补强方法对比分 析详细版 提示语：本解决方案文件适合使用于对某一问题，或行业提出的一个解决问题的具体措施，过程包含确定问题对象和影响范围，分析问题，提出解决问题的办法和建议，成本规划和可行性分析，最后执行。，文档所展示内容即为所得，可在下载完成后直接进行编辑。 压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。本文对这两种方法作以比较和分析。 在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。
因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。 开孔补强基本原理 2.1.等面积法 该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力。 等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。 2.2.分析法
详解压力容器中开孔补强的一般规定及限制要求 引言 压力容器上的开孔不仅影响结构强度，还会因为接管有着各种载荷所产生的应力、温度应力，以及容器材质和制造缺陷等因素的综合作用，往往是造成容器破坏的根源，所要解决这些问题，就必须了解开孔补强中的规定以及要求。 1.压力容器补强结构解析与一般规定压力容器的补强结构可分为：补强圈搭焊结构和整体补强结构。 1.1补强圈搭焊结构补强当容器采用补强圈搭焊结构时，其应当 符合的基本的条件 为，容器壳体名义厚度不得大于38mm补强圈的材料厚度不得 大于1.5 倍容器壳体的厚度尺寸；使用低合金钢的标准抗拉强度 应当小于540MPa若条件许可，优先举荐使用厚壁管代替补强圈进行补强。 当容器为低温压力容器的时候，补强接管应当尽可能采用后壁管进行补强，焊接焊缝应当使用全焊透结构，且焊缝圆滑过渡；带补强板的接管与容器器壁的连接接头应当符合相当于 HG/T20583中的G28 G29 G30 G33的要求。补强板采用与器壁相同的材料，带补强板的结构不得用于容器器壁厚度大于30mm 的场合，也不适用于设计温度低于-40°的场合。带补强圈的接 管与壳体的连接，以及补强圈与壳体搭接的角焊接头壳采用
GB15 0中所示结构进行，且接管端部应与容器表面齐平，端部内角应当打磨成R不小于3mm勺圆角。 ?a 强圈虽然结构简单，易于加工，但是补强效果较差，补强圈与壳体之间勺间隙不可避免，同时虽然补强圈上设有排气孔，但是补强圈结构在最终勺热处理后应力缺很复杂。 1.2整体补强结构补强当具有下列条件时，应当采用整体补强或 者局部整体补强。 ①高强度钢(标准抗拉强度大于540MPa和铬钼钢(如 15CrMoR 14Cr1MoR 12Cr2Mo1R 制造的压力容器； ②补强圈勺厚度大于1.5 倍容器壁厚度； ③设计压力大于或者等于4MPa的第三类容器； ④容器的壳体壁厚大于或者等于38mm； ⑤疲劳压力容器或者容器盛装介质为毒性的高位介质容器。 2.等面积补强法与压力面积法的异同 国内根据国家标准GB150压力容器中压力容器的开孔补强，从设计方法分区可以分为，等面积法，极限分析法，安定性分析法。对比根据西德受压容器和西德蒸汽锅炉技术规程中采用的压力面积法，压力面积法可用于开孔率达0.8 的大开孔结构的情况，其计算方式为：()PW ] 式中： A补强范围内的压力作用面积；
第 开孔补强设计 根据GB 150规定，当在设计压力P c ≤2.5MPa 的在壳体上开孔，两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的两倍，且接管公称外径不大于89mm 时，接管厚度满足要求，不另行补强，故该储罐中只有DN=500mm 的 人孔需要补强。 1. 补强设计方法判别 按HG/T 21518-2005,选用回转盖带颈对焊法兰人孔。开孔直径 22C d d i +==500+2×2=504 mm 。 ∵ 2/i D d <=3000/2=1500 mm 故可以采用等面积法进行开孔补强计算。 接管材料选用10号钢，其许用应力[σ]t=117MPa 根据GB150-1998中式8-1，开孔所需补强面积()r et f d A -+=12δδδ 其中：壳体开孔处的计算厚度δ=17.758mm 接管的有效厚度21C C nt et --=δδ=20-0-2=18mm 强度削弱系数[][]r t n r f δδ/==117/170=0.689 所以开孔所需补强面积为()r et f d A -+=12δδδ =504×17.758+2×17.758×18×0.311 =4238.452mm 2. 有效补强范围 2.1有效宽度B 的确定 按GB150中式8-7，得：d B 21==2×504=1008 mm nt n d B δδ++=22=504+2×18+2×20=580mm B= ()max 2, 1B B =1008 mm 2.2有效高度的确定 (1）外侧有效高度 h 的确定 根据GB150中式8-8，得： 11h = nt d δ=18504?=95.25mm 12h =接管实际外伸高度H=H 1=280mm 1h =(()min 12,11h h =95.25mm (2）内侧有效高度 2 h 的确定