开孔补强结构设计校核

压力容器的开孔与补强压力容器是一种用于储存和运输高压气体、液体或气体液体混合物的装置。

由于容器内部承受着巨大的压力，因此对于压力容器的结构设计和制造质量的要求非常高，尤其是它的壁厚和容积大小等参数必须经过精密计算和实验验证。

然而，即使设计和制造工艺都非常优秀，压力容器在使用过程中，也一定会出现开孔或由于压力过高而造成形变或者破裂的情况。

为了避免这种情况的发生，我们可以采用开孔和补强两种方法进行预防和解决。

开孔是一种常见的预防压力容器事故的方法。

通过在容器的垂直和水平方向上开孔，可以使容器内部受到更好的冷却和通风，从而减少容器内部压力的累积。

另一方面，开孔的位置也可根据容器内部压力变化而进行调整，使事故的风险降到最低。

此外，设定开孔的位置和数量还可以为维护和保养提供更大的便利。

例如在容器的底部开孔，可以更轻松地清除容器内部积存的物质。

尽管开孔是一种有效的预防措施，但在一些情况下，由于开孔会改变容器的整体结构，从而降低容器的承载能力。

这时，可以采用补强的方法来保证容器的安全。

补强的方法主要是在容器受力较大的地方加装加强筋或者钢板等材料来提高容器的强度和承载能力。

这种方法的优点是可以增加整个容器的稳定性和韧性，从而避免容器内部压力过高而造成的泄漏和破裂等意外事件的发生。

需要注意的是，在进行压力容器的开孔和补强的时候，我们必须严格遵守国家标准，以确保容器的质量和安全。

另外，在进行相关的维修和改装时必须由具备相关资质、资历的专业人员进行操作，这样可以有效地避免其他安全隐患的发生。

最后，压力容器在工业生产和人们的日常生活中发挥着重要的作用，但与之相关的安全问题也时刻需要引起人们的重视。

因此，在日常生活和工作中，我们应该尽可能地避免对压力容器的摩擦和碰撞，同时，也应该注意对其的定期检查和维修，以避免意外事件的发生。

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： σσmax =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设有一个尺寸很大的巨型薄平板，开有一个圆孔，其小圆孔的应力集中问题可以利用弹性力学的方法进行求解。

承受单向拉伸应力开小圆孔的应力集中如图1所示，只要板宽在孔径的5倍以上，孔附近的应力分量为：⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θστθσσσθσσσθθ2sin 32122cos 312122cos 34121242224222422222r a r a r a r a r a r a r a r r （2） 平板开孔的最大应力在孔边 2πθ±=处， 孔边沿a r =处：σσστπθθθ3,0max 2===±=r应力集中系数：0.3max ==σσt K 3、薄壁球壳开小圆孔的应力集中如图2所示，球壳受双向均匀拉伸应力作用时，孔边附近任意点的受力为：Fig. 2 Variation in stress in a sphere shell containing a circular hole孔边处r=a ，σσ2max = , 应力集中系数0.2max ==σσt K 4、薄壁圆柱开小圆孔的应力集中如图3所示，薄壁柱壳两向薄膜应力δσ21pD =，δσ42pD =，如果开有小圆孔，则孔边附近任意点的受力为：⎪⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θστθσσσθσσσσθθ2sin 32142cos 3141432cos 34122312422214212242222122r a r a r a r a r a r a r a r r （3）Fig. 3 Variation in stress in a cylindrical shell containing a circular hole孔边处r 1r 3r=a,=0,=(-con2),=02θθσσθστ。

浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计压力容器常规设计规范中的开孔补强设计是为了提高容器的强度和稳定性，减小应力集中，避免开裂和变形等问题。

在设计过程中，需要考虑容器的功能和使用条件，合理确定开孔位置、大小和数量，并采取适当的补强措施。

开孔补强设计中的关键问题是如何确定开孔的位置和大小。

开孔的位置应尽量避免处于应力集中区域，如容器的角部、焊缝附近等。

开孔的大小则需要根据承受的载荷和应力水平来确定。

一般来说，开孔的面积不应超过容器壁的总面积的30%。

当开孔过大时，容器壁的强度和刚度会大大降低，容易导致变形和破裂。

在确定开孔位置和大小之后，可以考虑采取以下几种方式进行开孔补强设计：1.增加开孔的边缘钝化半径：开孔边缘的过渡半径越大，应力集中程度越小。

在常规设计中，一般要求开孔边缘的钝化半径为开孔直径的1.5倍。

2.添加补强环：在开孔边缘处添加环形补强，可以有效减小应力集中，提高强度和稳定性。

补强环的尺寸和数量需要根据开孔的大小和容器的使用条件来确定。

3.增加开孔区域的厚度：开孔附近可以增加壁厚，提高容器的强度和刚度，减小应力集中。

墙厚增加的大小需要根据应力分布和容器的使用条件来确定。

4.使用合适的补强片：在开孔的附近添加合适的补强片，可以提高容器的强度和稳定性。

补强片的材料和尺寸需要根据容器的使用条件和承载能力来确定。

5.考虑应力分配：在设计过程中需要考虑容器的应力分配情况，避免应力集中。

可以采用软件模拟和实验测试等方法来确定应力分布和开孔补强设计的有效性。

在进行开孔补强设计时，还需要考虑容器的材料特性、制造工艺和维修等问题。

同时，需要按照国家和行业的相关规范和标准进行设计，确保容器的安全可靠性。

总之，开孔补强设计是压力容器常规设计规范中的重要环节，对容器的强度、稳定性和可靠性起着至关重要的作用。

合理选择开孔位置和大小，采取合适的补强措施，能够有效减小应力集中，提高容器的安全性能。

压力容器开口补强及其在耐压试验工况下的应力校核摘要：阐述等面积法开口补强原理，并对及其在耐压试验下的校核提出分析讨论。

关键词：开口补强耐压试验压力应力校核由于工艺操作及壳体结构的要求，压力容器经常需要在壳体或封头上开孔。

开孔不仅会削弱结构本身的强度，同时也会因结构的不连续产生较大的应力集中，开口接管的应力校核是保障压力容器安全运行的重要环节。

在压力容器的设计中，一般可以把应力分为三类：一次应力、二次应力、峰值应力。

[1]压力容器的开口接管处理论上同时存在这三种应力。

等面积法补强是以两边受拉伸的无限大平板开小孔的应力集中作为理论基础的，补强准则是开孔截面的许用拉伸应力大于未开孔时该处的许用拉伸应力，仅涉及一次应力问题。

该法对二次应力通过开孔大小、长短径比值和开孔率来加以限制，认为在满足标准要求的范围内，二次应力不会对容器造成破坏。

对于峰值应力，等面积法没有考虑，所以标准要求等面积法不能用于疲劳容器。

即在标准要求的适用范围内，等面积法的设计过程仅是对一次应力的补强过程，本文在此基础上进行以下讨论。

GB/T150-2011[2]并未对耐压试验工况下壳体的开口补强校核做强制性要求，标准规定，只有当耐压试验压力大于标准要求的最小值时，才应在耐压试验前，校核各受压元件在试验条件下的应力水平，并提出了壳体元件的应力校核条件。

但是标准要求的试验压力最小值超过了正常操作时的设计压力值，在此情况下不要求耐压试验应力校核是否合理？我们通过以下讨论说明。

内压工况下，GB/T150-2011[2]要求的耐压试验最小值为：(1)液压试验y的取值为1.25。

液体耐压试验的压力为，可以看做设计温度和试验温度下压力的折算，而液压实验的超压试验性，主要体现在系数1.25上，现从以下几方面加以阐述和论证。

一、弹性失效准则下的筒壁应力分析根据拉美公式，仅受内压的圆筒筒壁的应力分布见表1：表1 内压工况厚壁圆筒筒壁应力值内壁处外壁处注：表中为所受内压，，将表1三个主应力分别代入常规设计的弹性失效设计准则：最大拉应力准则、最大切应力准则、形状改变比能准则，得到相应准则下应力强度和径比计算公式，同时将中径公式的相应参数汇总，见表2所示。

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 tn 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 mmnt n d B δδ++=22=504+2×18+2×20=580mm B=()max 2,1B B=1008 mm2.2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 =ntd δ=18504⨯=95.25mm12h =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2h的确定根据GB150-1998中式8-9，得：21h =ntd δ=18504⨯=95.25mm22h =0()min 22,212h h h ==03. 有效补强面积根据GB150中式8-10 到 式8-13，分别计算如下：321A A A A e ++= 3.1 筒体多余面积AA=(B-d)(δe-δ)-2δet(δe-δ)(1-fr)=(1008-504)(20-17.758)-2×20(20-17.758)(1-0.689)=1102.0782mm 3.2接管的多余面积 接管厚度：ct ic t P D P 5.0φ]σ[2δ==9184.15.09.011725009184.1⨯-⨯⨯⨯=4.94mm()21222h f h A r t e +-=δδ()2C e -δ=2×92.25×(20-17.758)×0.689+0=285.004 2mm4.接管区焊缝截面积(焊角取6.0mm ）262/123⨯⨯=A =36 2mm5.补强面积321A A A A e ++==1102.078+285.004+36=1451.0822mm因为，A e ＜A 所以开孔需另行补强。

浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计压力容器的开孔补强设计是压力容器设计的重要环节。

目前,国内压力容器按常规规范设计开孔补强时的常用标准主要有GB150—1998《钢制压力容器》（以下简称GB150)、HG2058-1998《钢制化工容器强度计算规定》(以下简称HG20582)及ASME 锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第一册《压力容器建造规则》(以下简称ASME）. GB150是强制性国家标准,是设计的最低要求,超出GB150开孔范围时，可以采用HG20582计算并遵循HG20583—1998《钢制化工容器结构设计规定》(以下简称HG20583）规定结构进行设计。

压力容器开孔补强设计的方法有很多，如等面积法、压力面积法、安定性分析法、极限分析法、PVRC法、增量塑性理论方法及实验屈服法等等.鉴于软硬件条件的限制和从设计成本考虑,国内一般采用等面积法和压力面积法进行开孔补强设计，上面提及的设计规范就是采用这两种方法设计开孔补强的.1。

各规范开孔补强方法的理论基础GB150和ASME规范均采用等面积法进行开孔补强设计,而HG20582中的补强计算采用的是压力面积补强法。

压力面积法与等面积法的实质是一致的,都是从确保容器受载截面的一次平均应力(平均强度）在一倍许用应力水平的计算方法，都未计及开孔边缘的局部应力和峰值应力对开孔的作用，只是两种方法对壳体有效补强范围的确定上有所不同；在补强金属面积的配置上，压力面积法比等面积法更具有密集补强的特点,对缓和接管根部应力集中的作用较大。

2各规范开孔补强方法的适用范围比较GB150和ASME规范均适用于壳体上开圆形、椭圆形(或类似形状）或长圆形孔.GB150规定孔的短径与长径之比应不大于0。

5;而ASME规定当短径与长径之比小于0. 5时,应增强短径方向的补强。

各规范对开孔直径的相对大小均有限制：GB150适用于d /D t ≤0.5；HG20582适用于d /Dt ≤0.8；而ASME适用于d /D t ≤0。

大开孔补强结构应力特点和补强设计方法【关键词】大开孔；补强结构；应力特点；补强设计过去，在很长一段时间里，为了避免由于开孔而造成压力容器的破坏，一般采取保守的做法,即尽量避免开孔，当必须开孔时，尽量开小孔。

然而近年来，随着过程装备行业的快速发展，容器的开孔逐步向大开孔的方向发展，给压力容器的结构强度设计带来了一系列的技术问题，如开孔附近的应力集中系数、开孔补强的方法、开孔补强的结构设计等。

开孔补强设计是压力容器强度设计中的一个重要环节。

对于受内压作用的压力容器大开孔补强结构，本文通过理论分析、有限元应力分析计算，对比三种补强结构的应力分析结果，得到一些可用于指导工程设计的结论。

1.1三种大开孔补强结构的应力分布特点总体来说，无论是平齐接管补强、内伸接管补强还是加强圈补强，在筒体开孔接管连接处的外壁和内壁，均出现了明显的应力集中现象，具体可分为以下几个高应力区:(1)接管补强相贯区高应力区①平齐式接管最大等效应力区在壁厚比/小于1.25时，出现在接管肩部外角点A处附近区域，大于1.25时出现在接管腹部外角点C附近，且应力最大值大幅下降，说明增加接管壁厚，补强效果明显。

最大主应力和高环向应力区在接管肩部内角点B附近，并且环向应力沿经向迅速衰减，在范围内基本消失，达到薄膜应力值大小；当壁厚比超过2.5时，环向应力最大点位于接管腹部内角点附近，且最大应力值明显下降。

②内伸式接管应力分布与平齐式接管有所不同，最大等效应力区在接管腹部筒体的内表面C2、外表面C1和C3处，应力集中现象明显；最大主应力也位于腹部内角点C2处，其值与平齐式接管肩部内角点的最大主应力大小相当，而内伸接管肩部处的最大主应力比平齐式接管结构下降了一半，相当于内伸接管腹部内角点最大主应力的二分之一，因此内伸式接管肩部应力下降明显，可见内伸接管可以对补强结构起加强作用，但腹部角点处是设计时需要重点控制的参数。

随着接管内伸长度的增加，接管腹部筒体外表面弯曲应力增加明显，所以当补强满足要求时，不必过度增加内伸长度[1]。

目录1前言及概念错误!未定义书签。

开孔补强的适应范围和方法 ..................................... 错误!未定义书签。

满足开孔条件时，可采用的三种补强方法........... 错误!未定义书签。

开孔补强的目的............................................................ 错误!未定义书签。

补强结构(补强元件类型) ............................................ 错误!未定义书签。

加强管补强.................................................................. 错误!未定义书签。

整体锻件补强............................................................. 错误!未定义书签。

加强圈的补强............................................................. 错误!未定义书签。

壳体开孔的有关规定................................................... 错误!未定义书签。

允许不补强时开的最大孔直径.............................. 错误!未定义书签。

壳体上允许开的最大孔直径d max .......................... 错误!未定义书签。

等面积补强计算方法................................................... 错误!未定义书签。

各国压力容器规范主要采用的准则(补强准则的种类) .错误!未定义书签。

等面积补强的原则.................................................... 错误!未定义书签。

浅谈常规压力容器的开孔补强设计摘要：在压力容器上开孔，将会使压力容器的承压能力降低，在其设计工艺条件下会产生危险，因此压力容器开孔后需进行补强，本文介绍了压力容易开孔补强的两种方法和应注意的问题，并针对实例进行了计算演示。

关键词：压力容器补强开孔随着化工行业的发展，压力容器在化工厂中越来越普遍，其安全性也越来越受到重视。

开孔补强设计是压力容器设计中必不可少的一部分，标准和规范中虽然对设计和计算都作了较为详细的规定，但安全、经济、合理的设计仍是摆在我们面前的一个课题。

一旦计算有误就会造成容器的破坏，甚至引起工作人员的伤害，或者造成经济上的浪费。

按照GB150-1998《钢制压力容器》规定，在压力容器的设计过程中，应采用适当的开孔补强设计。

下面就对压力容器的开孔补强进行分析。

一、开孔补强方法的选择1.压力面积法压力面积是西德AD规范中采用的开孔补强方法，其开孔率可达0.8，较等面积法为大。

当开孔率超出等面积法适用范围时，常采用该法进行补强：压力面积法的意义如下。

式中，AP-为补强有效范围内的压力作用面积；Aσ-为补强有效范围内的壳体、接管、补强金属的截面积；P-设计压力；[σ]-材料许用应力公式（1）是以在壳体有效补强区域中的压力载荷与壳体的承载能力相平衡为基础的，即压力在壳体受压面积上形成的载荷与有效补强范围中的壳体、接管、补强材料的面积所具有的承载能力相平衡。

由式（1）的变形得出式（1a）：式中左端项即压力在壳体受压面积上形成的载荷。

式中右端项为材料所具有的承载能力材料的承载能力，应大于压力引起的载荷，所以使用不等号相联接。

右端项中是由于采用“中径”公式的缘故。

2.等面积补强法等面积法是以拉伸的开孔大平板为计算模型的。

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，故该方法不能相适应。

补强计算时，在有效补强范围内的所有多余面积（即有效厚度提供的面积扣除壳体或接管本身强度所需的面积）均可作为补强面积。

在压力容器中的开孔补强结构设计【摘要】对于压力容器设计来说，开孔补强结构的设计是非常重要的一部分，这就要求了开孔补强结构的设计需要本着安全、合理、科学、经济的原则来进行，而且对其进行优质的设计可以大大降低压力容器的设计成本和生产成本。

开孔补强技术对压力容器的安全性和实用性起到很大的作用，能够保障压力容器在内部压力下的安全使用，并能相应延长其使用寿命。

对于需要应用到压力容器的行业来说，可以节约生产运输成本，降低在生产运输中出现事故的几率。

本文通过对压力容器的开孔补强结构设计的研究与分析，对开孔补强的几种方法进行论述，总结出对于不同压力容器而是用不同开孔补强结构的优选设计，从而达到在压力容器的生产使用过程中追求追高性价比的目的，在保证压力容器质量的基础上，减少成本投入和资料浪费。

【关键词】压力容器；补强；开孔补强一、开孔补强结构的含义所谓开孔补强结构，是指在压力容器上开孔之后，为了提高开孔周围材质抗压强度的降低而进行补救的方法。

压力容器为同材质材料制造而成，因不同的要求需要在容器外壁开出不同类型的小孔，这样就会导致压力容器整体抗压强度的下降，可能会导致压力容器的使用出现问题或是致使其使用寿命缩短。

因此，在容器外壁所开小孔周围加以维持容器整体强度的保护措施，也就是开孔补强技术是非常重要的。

在开孔补强技术的具体实施中，可以根据开孔位置、数量、以及对容器的其它需求等因素，大致分为整体补强和局部不强。

（一）整体补强整体补强是一种大面积的补强方式，它的使用只要在压力容器开孔较多或是局部不强不方便，以及容器整体强度不够需要整个压力容器进行补强作业时采用的方法。

其优点在于补强位置全面、实施方便，在压力容器开孔较多位置集中是，能够提升开孔补强的工作效率。

而他的不足在于，不能有针对性地对需要着重加强强度的位置进行补强，而且对单一开孔进行整体不强会造成材料的浪费。

（二）局部补强局部补强相对于整体补强来说，就是以有针对性的补强方法对压力容器上所开的小孔进行强度补充。