压力容器的开孔与接管

Rm 3 7 Rm 30 150 T
m
23
(三)应力集中系数的计算
3.椭圆形封头开孔的应力集中系数 椭圆形封头开孔的应力集中系数可以近似的采 用上述球壳开孔接管的曲线，只要将椭圆中心处的 曲率半径折算为球的半径即可
Ri KDi
式中K为修正系数 Di为椭圆封头的内直径 Ri为折算为球壳的当量半径
13
(一)开孔的应力集中
1.平板开小孔的应力集中
σ
σθ
σθ
r
θ σθ σ
max=3σ
σγ
σ
a
r 0
图12-1 平板开小孔时应力集中
平板开孔的最大应力在孔边 孔边沿r=a处： 0,

2
处
2
max 3
14
一、开孔应力集中及应力集中系数
(一)开孔的应力集中 1.平板开小孔的应力集中
10
第二节 开孔及补强设计
一、开孔应力集中及应力集中系数
二、开孔补强设计的要求
三、等面积补强计算
11
一、开孔应力集中及应力集中系数
容器开孔接管后在应力分布与强度方面会带来下 列影响: 1. 开孔破坏了原有的应力分布并引起应力集中。 2. 接管处容器壳体与接管形成结构不连续应力。 3. 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。
1
第一节 总体设计问题概述
结果在开孔和接管处的局部地区，应力可能达到很大的数值 。这样高的局部应力，有时再加上接管上还受到其他外部载 荷（例如安装的附加弯短、热应力等）以及开孔结构在制造 过程中难兔产生的残余应力等，于是开孔附近往往就成为容 器的破坏源。因此必须对开孔处进行强度校核，如不能满足 强度要求，则必须进行补强。

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 ra 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 ra 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。

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。

压力容器常用开孔补强方法的比较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。

压力容器开孔补强一般有两种计算方法：一是等面积法，二是分析方法。

本文对这两种方法作以比较和分析。

<b> 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，导致局部应力增加，容器承载能力减弱；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。

开口加固的基本原理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，并以加固壳体的一次总平均应力作为加固原则。

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，而和还产生很高的弯曲应力。

等面积法开口加固结构形成的应力集中在某一区域，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.分析方法这种加固方法基于壳体的极限分析，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。

比较分析3.1.等面积法等面积法顾名思义：壳体截面的承载强度因开口而减弱的区域，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]<font size="2">t，即A[σ]<font size="2">t，应由补强材料予以补偿，当补强材料与壳体材料相同时，则补强面积就等于削弱的面积，故称等面积法。

高度危害（Ⅱ级） 最高容许浓度0.1～＜1.0mg／m3
中度危害（Ⅲ级） 最高容许浓度1.0～＜10mg／m3 轻度危害（Ⅳ级） 最高容许浓度≥10mg／m3
4.2压力容器的典型结构
4.2.1低、中压压力容器的筒体结构
1、圆筒形的筒体结构形式
卧式压力容器
立式压力容器
1、圆筒形的筒体结构形式
立式储气罐
4.1.3压力容器分类
按用途分类：根据容器在生产工艺过程中所起的主要作用不同，可以 归纳为四大类. 即反应容器、储存容器、换热容器和分离容器。
按压力来分类：压力是压力容器最主要的一个参数，压力越高，爆炸
的能量越大。
低压容器 （代号L）： 0.1MPa≤P＜1.6MPa 中压容器 （代号M）： 1.6MPa≤P＜10MPa 高压容器 （代号H）： 10MPa≤P＜100MPa 超高压容器 （代号U）： 100MPa≤P＜1000MPa
（1）高压容器； (2) 中压搪玻璃压力容器； (3) 使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于540MPa） 的材料制造的压力容器； (4)移动式压力容器，它包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐 式汽车（液化气体运输车、低温液体运输车、永久气体运输车）和罐式 集装箱（介质为液化气体、低温液体）等； (5) 球形容器（容积大于等于50m3）； (6) 低温液体储存容器（容积大于5m3）。
压力、容积、介质特性是与安全相关的三个重要参数。 按安全重要程度分：
《压力容器安全技术监察规程》根据容器在使用中的重要作用、设计压 力以及介质的危害性程度，从高到低将压力容器依次分为: 第三类压力容器、第二类压力容器以及第一类压力容器：
4.1.3压力容器分类
下列情况之一的容器属于第三类压力容器 ：

ｈｉ ｇ ｈ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ａ ｒ ｅ ａ ｏ ｎ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ ｖ ｅ ｓ ｓ ｅ １ ． Ｔｈ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｐ ｅ ｎ ｉ ｎ ｇ ｔ ｕ ｂ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｎ ｎ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｂ ｅ ｔ ｗｅ ｅ ｎ ｏ ｒ ｔ ｈ ｏ ｇ ｏ ｎ ａ ｌ ｔ ｕ ｂ ｅ ａ ｎｄ ｔ ａ ｎ ｇ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ
高慧峰 ，高 勇 ，加万里。
（ １陕西延长中煤榆林能源化工有限公司，陕西 榆林 ７ １ ８ ５ ０ ０ ； ２榆林学院化学与化工学院， 陕西 榆 林 ７ １ ９ ０ ０ ０ ；３中国航 天科 技 集 团第六研 究 院第一 六五研 究所 ，陕西 西安 ７ １ ０ １ ０ ０ ）
摘 要 ：为了满足工艺过程的要求， 压力容器必须开孔接管， 从而使开孔接管区的应力状态非常复杂，成为压力容器的高
２ Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｃｈ ｅ ｍｉ ｓ ｔ ｒ ｙ ａ ｎ ｄ Ｃｈｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉｎ ｒ ｇ，Ｙｕ ｌ ｉ ｎ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ，Ｓ ｈａ ａ ｎ ｘ ｉ Ｙｕ ｌ ｉ ｎ ７ １ ９ ０ ０ ０；
第４ １ 卷第 １ ４期 ２ ０ １ ３年 ７月
广
州
化
工
Ｖｏ ｌ ＿ ４ ｌ Ｎ ｏ ． １ ４
Ｇ ｕ ａ ｎ ｇ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｃ ｈ ｅ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｉ ｎ ｄ ｕ ｓ ｔ ｒ ｙ
Ｊ ｕ ｌ ｙ ． ２ ０１ ３
压 力容 器 开 孑 Ｌ 接 管 区应 力 的有 限元分 析
应力区之一 。论 文采用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ软件对压力容器筒体上正交接管和切 向接管 的应力进行 了分 析 比较 。结果 表明 ：筒体上

（情绪管理）压力容器的开孔和补强第13章压力容器的开孔和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。

第壹节容器开孔附近的应力集中1、关联概念（1）容器开孔应力集中（Openingandstressconcentration）于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且安装接管，例如：人孔、手孔、进料和出料口等等。

容器开孔接管后于应力分布和强度方面会带来下列影响：◆开孔破坏了原有的应力分布且引起应力集中。

◆接管处容器壳体和接管形成结构不连续应力。

◆壳体和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（stressconcentrationfactor）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：（1）压力容器设计中对于开孔问题研究的俩大方向是：✧研究开孔应力集中程度，估算K t值；✧于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.1Variationinstressinaplatecontainingacircularholeandsubjectedtouniformtension 设有壹个尺寸很大的巨型薄平板，开有壹个圆孔，其小圆孔的应力集中问题能够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，只要板宽于孔径的5倍之上，孔附近的应力分量为：（2）平板开孔的最大应力于孔边处，孔边沿处：应力集中系数：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.2Variationinstressinasphereshellcontainingacircularhole孔边处r=a，,应力集中系数4、薄壁圆柱开小圆孔的应力集中如图3所示，薄壁柱壳俩向薄膜应力，，如果开有小圆孔，则孔边附近任意点的受力为：（3）Fig.3Variationinstressinacylindricalshellcontainingacircularhole孔边处。

二、对容器开孔的限制 ◆ 当圆筒内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d ≤Di/2， 且d ≤520mm；当圆筒内径Di＞1500mm时，开孔最大直径 d ≤Di/3，且d ≤1000mm。 ◆ 凸形封头或球壳上开孔时，开孔最大直径d ≤Di/2。 ◆ 锥壳上开孔时，开孔最大直径d≤Di/3，Di为开孔中心 处锥壳内径。 ◆ 在椭圆形或碟形封头的过渡区开孔时，孔的中心线宜 垂直封头表面。
标准补强圈结构
◆ 补强圈结构的适用范围 A型适用于无疲劳、无低温及大的温度梯度的一类压力 容器，且要求设备内有较好的施焊条件。 B型适用于中压、低压及内部有腐蚀的工况，不适用于 高温、低温、大的温度梯度及承受疲劳载荷的设备。S 取管子名义壁厚的0.7倍，一般δn t=δn/2 (δn t为 接管名义厚度；δn为壳体名义厚度)。 C型适用于低温、介质有毒或有腐蚀性的操作工况，采 用全焊透结构，要求当δn≤16 mm时，δn t≥δn/2； 当δn＞16 mm时，δn t≥8mm。 D型适用于壳体内不具备施焊条件或进入设备施焊不便 的场合，采用全焊透结构，要求当δn≤16 mm时，δn t≥δn/2；当δn＞16 mm时，δn t≥8mm。 E型适用于储存有毒介质或腐蚀介质的容器，采用全焊 透结构，要求当δn≤16 mm时，δn t≥δn/2；当δn ＞16 mm时，δn t≥8mm。 F型适用于中温、低温、中压容器及盛装腐蚀介质的容 器，要求当δn≤16 mm时，δn t≥δn/2，当δn＞16 mm时，δn t≥8mm，且接管公称直径DN≤150 mm.
◆ 标准补强圈的选用
若需采用补强圈补强 ，可采用以下程序来选择标准补 强圈：
● 确定补强圈的尺寸； ● 由设备的工艺参数决定补强圈的结构； ● 补强圈材料取与被补强壳体材料相同。

平板开椭圆孔的应力集中
1、几点结论
•在球壳上开圆孔的应力集中系数（ ）小于开
椭圆孔的应力集中系数（
）
•在圆柱壳上开圆孔时的应力集中系数（
）
•若要开设椭圆孔，则应使椭圆孔的长轴与壳体
轴线垂直此时（
）
压力容器开孔及补强设计
内压壳体开孔的应力集中
•由于开孔后多焊有不同厚度的接管，应力集中系 数比较复杂，采用理论计算和实验测定相结合的 办法。
•当 越大，即开孔直径越大时应力集中系数越高。 相反，减小孔径，增大壳壁厚度均可降低应力集 中系数。 •内伸式接管的应力集中系数较低，尤其是内伸接 管壁厚较厚时能有效地降低应力集中。
压力容器开孔及补强设计
内压壳体开孔的应力集中
过小或过大时上述曲 线均会有较大的误差
球壳带平齐式接管的应力集中系数
壳壁过厚，即 过 小时，应力沿壁厚分 布的不均匀性增大， 应力集中系数将明显 比图示值减小
(mm)
检查孔最少数 量
检查孔最小尺寸(mm)
人孔
手孔
备注
300-500 500-1000
>1000
手孔2个
人孔1个或手孔 2个(当容器无法
开人孔时)
人孔1个或手孔 2个(当容器无法
开人孔时)
Ф400或长 圆孔
400×250， 380×280
Ф400或长 圆孔
400×250， 380×280
Ф75或长 圆孔
•（2）两相邻开孔中心的距离(对曲面间距以弧长计算)应 不小于两孔直径之和的两倍；
•（3）接管公称外径小于或等于89mm；
•（4）接管最小壁厚满足下表3-9的要求。
接管公称 外径
25 32 38 45 48 57 65 76

一、开孔应力集中及应力集中系数
（一）开孔应力集中 最大应力在孔边，是应力集中最严重的地方。 孔边应力集中有局部性，衰减较快。
（二）开孔并带有接管时的应力集中
（三）应力集中系数的计算
rm Rm rm
Rm T
RmT
二、开孔补强设计的要求
第三章 压力容器的整体设计问题
（一）允许不另行补强的最大开孔直径
第三章 压力容器的整体设计问题
补强区宽度 B=2d B=d+2Tn+2tn
补强区外侧高度
两者中取大值
h1 dtn h1=接管实际外伸长度 补强区内侧高度
两者中取小值
h2 dtn
两者中取小值
h2=接管实际内伸长度
注意：
第三章 压力容器的整体设计问题
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 强面积应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，则所需补强面积不得减少。
（四）补强圈和焊接的基本要求
第三章 压力容器的整体设计问题
M检1查0的孔螺纹孔
补强圈与接管及与壳体的焊接是填角焊及搭焊，视 容器操作条件及设计要求决定是否全焊透。焊缝的成形 应圆滑过渡或打磨至圆滑过渡。
（五）开孔补强的设计准则
第三章 压力容器的整体设计问题
开孔补强设计： 指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将 应力集中系数减小到某一允许数值。
补强圈补强
局部补强12..高补强强度圈钢的（厚厚σ度b壁＞超5过4接0被M管补Pa强）补件和壁强铬厚钼的钢1制.5造倍的或容超器过；tmax
（碳钢tmax＝32mm；16MnR tmax＝30mm）；
3.设计压力大整于锻等于件4M补Pa；强

２０ １ ３
…
罐 年月 ６ 黼
Ｃ ｈ 中 ｉ ｎ ａ 国 Ｃ 化工贸 ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ Ｔ 易 ｒ ａ ｄ ｅ
浅 谈压 力 容器 的开 孔 补 强设 计
李１ 溢 Ｄ Ｊ － 亚 Ｉ
（ 北 京石 油化 工工程 有限公 司西 安分公 司 。陕西西 安 ７１ ０ ０ ７ ５）
提 出其适 用范 围为 ：１ Ｏ ≤ （ Ｄ ｉ ＋ ２ Ｔ ）Ｉ Ｔ≤５ ０ ０ ，且 ｄ ｉ ／（ Ｄｉ ＋ ２ Ｔ ） ≤０ ． ８ 。 而在 Ｂ ９的附 录 中又 指 出 ，对 于具 有 大开 孔 的薄 壁壳 体 ，按 压 力面 积 的 设计 只能满 足静 载荷 设计 要求 ，不能 满 足安 定性 要求 ；而按 Ｂ篇 设 计 的容器 应 当满 足安 定性 要求 ，即在 设计 寿命 内 ，允许 全幅 度 的压 力 循环 不超过 １ ０ ０ ０ 次 。但该 附录 并未给 出按压 力面 积法设 计不满 足安 定 性要 求 的容器 开孔 率 与壁厚 比之定 量数 值 。这 是 因为压 力面 积 法无 法
此 外 ，笔 者还 想补充 一种 不另行 补强 的情况 ： 当设备 壳体 有 效厚 度 大于 等于 其 计算 厚 度的 ２倍 时 ，壳 体开 孔 补 强 也是 可 以免 除计 算 的。此 种 方案 的 提 出是 用等 面积 补强 法 来推 导 出 来 的 ，大 多 出现 在操 作 条 件不 苛 刻的 换热 器 设计 当 中 ，此 时 为 了保证 设 备 的刚性 对壳 体 的最 小厚 度 进行 了 要求 ，而 此 最小 厚度 有 时会 大于 壳体 的 计算厚 度一 倍甚 至更 多。
重要 内容 。
具 体对 压力容 器 的开孔 补强 设计方 案主要 包括 以下 四种 ：

,
、
为现在 普 遍采 用 的一种 求 解手 段
,
。
纵 观 前 人 的研 究 我 们 不 难 发 现 大 部 分 学 者
,
图
大 开 孔结构 的几 何模 型
。
对大 开孔 的研究 都局 限在 弹性 范 围 内 未考
,
,
材料 性质
,
容 器 的材 质 为
,
在 其进 人
虑材料 的 塑 性 变 形 对 相 贯 区 应 力 的影 响 还 有 些 学者 〔 〕 行 过 弹 塑 性 分 析 但 其 研 究 对 象 为 小 开 进 孔结 构
。
的是最 大 应 力 集 中 并 不 会 出 现 在 内 外 壁 尖点 上 随着
, ,
、
的增 大 相 贯 区 的 应 力集 中 随 之减 小 最
,
所示
图
带 大 接管 的 内压 容 器 有 限元模 型及 网格
边 界 条 件 及 载荷 端面 图 的
。
。
筒 体 横 向对 称 面
,
向位 移为零 在 纵 向对称 面施 加 为 防 止模 型 产 生
, ,
方 向 的固 定 约束
方 向上 的 刚
。
体 运动 和 局 部 应 力 集 中 在 筒 体 纵 向对 称 面 的 下
。
联 系电话
并将 接 管 长度 设 置 为 随接 管 壁 厚 的增
石 油 化 工 设 计
第
。
卷
接接 头 和 筒体 其 中筒体 又 被 分成 三 大块 然 后对 每 一 块进 行细 化
,
,
,
降 速 率将 会减慢
。
整 个模 型 采 用 三 维
一
。
节点六面 个单 元

1. 压力容器主要由哪几部分组成?分别起什么作用?答：压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全附件六大部件组成。

筒体的作用：用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。

封头的作用：与筒体直接焊在一起，起到构成完整容器压力空间的作用。

密封装置的作用：保证承压容器不泄漏。

开孔接管的作用：满足工艺要求和检修需要。

支座的作用：支承并把压力容器固定在基础上。

安全附件的作用：保证压力容器的使用安全和测量、控制工作介质的参数，保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。

2,《压力容器安全技术监察规程》的适用范围：○1最高工作压力≥0.1MPa （不含液体静压力）；○2内直径（非圆形截面指其最大尺寸）≥0.15m ，且容积≥0.025m 3；○3盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。

GB150的适用范围：○10.1MPa ≤p ≤35MPa ，真空度不低于0.02MPa ；○2按钢材允许的使用温度确定（最高为700℃，最低为-196℃）；○3对介质不限；○4弹性失效设计准则和失稳失效设计准则；○5以材料力学、板壳理论公式为基础，并引入应力增大系数和形状系数；○6最大应力理论；○7不适用疲劳分析容器。

1. 一壳体成为回转薄壳轴对称问题的条件是什么?答：几何形状、承受载荷、边界支承、材料性质均对旋转轴对称。

1. 试应用无力矩理论的基本方程，求解圆柱壳中的应力（壳体承受气体内压p ，壳体中面半径为R ，壳体厚度为t ）。

若壳体材料由20R （MPa MPa s b 245,400==σσ）改为16MnR（MPa MPa s b 345,510==σσ）时，圆柱壳中的应力如何变化？为什么？解：○1求解圆柱壳中的应力 应力分量表示的微体和区域平衡方程式：δσσθφzp R R -=+21φσππφsin 220t r dr rp F k r z k=-=⎰圆筒壳体：R 1=∞，R 2=R ，p z =-p ，r k =R ，φ=π/2tpRpr tpR k 2sin 2===φδσσφθ○2壳体材料由20R 改为16MnR ，圆柱壳中的应力不变化。

使用SW6―2011计算压力容器开孔补强的几个问题-2019年文档使用SW6―2011计算压力容器开孔补强的几个问题0 引言为满足工艺或结构需要，在压力容器设计中开孔是必不可少的。

容器开孔接管后会引起开孔或接管部位的应力集中，再加上接管上会有各种外载荷所产生的应力及热应力，以及容器材料和制造缺陷等各种因素的综合作用，使得开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位。

虽然标准和规范对设计和计算都作了较为详细的规定，但在使用SW6-2011过程设备强度计算软件计算开孔补强时需要注意对标准规范中有关定义的理解和把握，灵活运用软件，必要时对有关数据进行调整，才能得到正确的结论，保证设备的安全可靠性。

1 补强方法及适用范围1.1 计算时应注意的问题在使用SW6-2011计算开孔补强之前要先判断接管的直径和壁厚是否满足GB150.3-2011中6.1.3不另行补强的最大开孔直径[1]的要求，满足要求的可以不进行计算，没有进行判断直接输入数据的，生成计算书会显示满足不另行补强的最大开孔直径的要求，不予进行计算。

还需要注意的是单个孔开孔补强计算合格，然而该孔的有效补强区B=2d范围内还有其他开孔，形成孔桥的，则应按孔桥处理。

在计算两相邻开孔中心的间距或者任意两孔中心的间距时对曲面间距应按弧长计算，按照弦长或中心线垂直距离计算是不正确的。

1.2 补强计算方法及适用范围的理解SW6-2011补强计算方法给出四种：等面积补强法、另一补强方法、分析方法和压力面积法。

计算软件中的等面积补强法是指单个开孔的等面积法，联合补强法是指多个开孔的等面积法。

等面积法是开孔补强计算方法中最广泛应用的计算方法，该法是以补偿开孔局部截面的一次拉伸强度作为补强准则的，是以无限大平板上开有小圆孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，对开孔边缘的二次应力的安定性问题是通过限制开孔形状，长短径之比和开孔范围（开孔率）间接考虑的[2]，使用该法应考虑开孔是否满足GB150.3-2011中6.1.1的规定。

第十二章 压力容器开孔与接管一. 重点1. 壳体开孔的压力特点2. 开孔接管的应力集中系数的定义3. 开孔补强的目的4. 开孔补强的结构及方法5. 等面积补强的原则6. 等面积补强计算面积有哪些? 二. 壳体上开孔的原因 三. 壳体上开孔后产生的问题1. 开孔后,造成壳壁不连续,在孔边缘产生应力集中2. 接管后,壳体与管的结构不连续,产生的附加弯应力3. 壳体接管的拐角处,由于r 引起的局部应力.结果:使孔附近的应力比薄膜应力大5-6倍,产生疲劳破坏和脆裂12.1 容器壳体开孔时的应力分析一.平板开小圆孔的应力分析 分析条件: 板长,宽>>孔径2a 载荷q//作用于板上1. 单向拉伸时的应力分析(1) 孔区附近的应力解 (12-1)式 利用弹性力学理论解知(2) 孔边缘处的应力特点: ①r=a 时 孔边缘处的应力⎪⎩⎪⎨⎧-===)2cos 21(00θστσθθq r r②r=a 时 孔边缘处的周向应力分布特点:qq q q 320=±=-==θθσπθσπθ方向的时，垂直于当方向的时，平行于、当③r>a 时θσ随r 的增大而迅速减小.由(12-1)式可知. 2. 双向拉伸时的应力分析: 二.薄球壳开小孔的应力分析1.分析对象:在开孔区域的壳近似板较小较大球半径≈⎪⎩⎪⎨⎧==qq q DR 21δ 2.孔区附近的应力解利用q q q ==21代入(12-4)可知(12-5),即112222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=θθτσσr r r a q r a q 3. 孔边缘处的应力特点:①当r=a 时,孔边缘应力⎪⎩⎪⎨⎧====max 200σστσθθq r r②孔边缘应力θσ=孔区域薄膜应力q 的2倍. 四. 圆筒壳开小孔1.分析对象: k 较大, D /δ较小, )2(221φθσσ== q q2.应力解: 利用212q q =代入(12-4)可知(12-6)3.孔边缘处的应力特点: (1)当r=a 时⎪⎩⎪⎨⎧-===)2cos 23(02θστσθθq r r (2)θσ在孔边缘r=a 处的分布规律:⎪⎩⎪⎨⎧==±====2max 2min 20q q σσπθσσπθθθ时，当时，、当说明:max θσ比孔口区域筒壳中θσ大2.5倍.(θσ212112==q q ) 五. 平板开椭圆孔的应力分析 1.单方向受拉伸时的应力分析(1)长轴平行于受拉方向时:①孔口处r=a 时的应力解(12-8)由于其应力表达式较复杂,仅给出最重要的孔口应力表达式,即⎩⎨⎧-===)812(0θθστσr r②特点:孔口处的θσ分布规律:)21(201max1min ab q q +==±=-===θθθθσσπθσσπθ时，在短轴的两端当时，在长轴两端、当(2)长轴a 垂直于受拉方向时 ①孔口处的应力解(12-9) ②孔口处的θσ分布规律2min 2max 2)21(0q b aq -==±=+===σσπθσσπθθθ时，在短轴两端：当时，在长轴两端：、当:2.双向受拉伸时的应力分析 122q q =(1)孔口处的应力解:由(12-8)与 (12-9)叠加即知(12-10) (2)孔口边缘处的θσ分布规律(特点)由(12-10)可知: 在长轴的两端 212max )25.0()21(q b aq b a q +=-+==σσθ 在短轴的两端 21min)21(q abq -+==σσθ说明:开椭圆孔时,最大应力在孔边缘πθ、0=处(在长轴两端)§12.2 开孔接管处应力集中系数的计算一.开孔接管时的应力集中1.壳体上开孔与平板开小孔有以下差别:(1)开孔不是小孔. 如:人手孔 .故开小孔的假设不成立其理论不能运用.(2) 容器壳体是曲面,与平板不同. 因为在开孔处由于曲面的影响,壳体存在弯曲应力 (3)容器开孔接管后,接管对开孔边缘有约束作用.而平板开小孔理论,没有考虑接管约束问题,所以对 开孔接管问题,必须寻求新的分析方法. 2.接管区的应力分析(1)利用”力法”可求出该区域的应力分布情况和应力值 “力法”:根据平衡,几何和物理方程(2)根据理论计算和实际结果,查接管区的应力分布图12-7 二开孔接管处的应力集中系数计算1. 应力集中系数K 的概念: (1)作用: 求接管处的最大应力峰值max σ(2)定义: 壳体基本薄膜应力设备实际最大应力=K如:⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===n ini pD K pD K K δσδσσσθ44max max max筒壳：球壳：2. K 的确定方法(1)应力指数法 ①K 的大小: 查表12-1 ②:适用条件 P 235 (1)-(4) 注:径向接管:接管轴线与壳体半径同一方向 非径向接管:轴线与壳体半径不同方向(2)应力集中系数曲线: ①曲线形成: 由理论与实践综合绘出 ②适用条件: 不能用指数法时采用 ③曲线种类: 图12-12 球壳 平齐 图12-13 球壳 内入 图12-14 圆壳 平齐④曲线适用条件:⎪⎩⎪⎨⎧≤≤≤≤150304.001.0n R R r δ当n R δ<30时,表明壳体很厚,则K 取的比曲线值小 当n Rδ>150时,壳体很薄,则K 取的比曲线值大些.因为开孔造成弯曲应力效应大. 3. 应力集中系数曲线的推广应用 (1) 可用于补强壳体 注意:利用曲线查K 时,将nntδδ改用n t n δδ'nt δ为接管厚度, t n 'δ为加强后的厚度将开孔系数ρ中的n δ改用'n δ 查'n δ下的K 值 (2) 椭圆封头上开孔的K. 不同点:当量半径R=K 1R i其中:R 是封头的当量半径; K 1是修正系数,与a/b 有关,查表12-2, R i 是封头内半径.§12.3 开孔补强设计一.开孔补强的概念1.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⋅≤tmax ,所以应力峰值降低,设计时[]tσ降低,n δ降低.[]ctic p D p -=φσδ22.开孔补强设计的定义:为降低应力集中系数,而作的计算与结构设计 二.补强结构(补强元件类型)1.加强管补强 (1)结构 图12-15.(d),(f) 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2.整体锻件补强: (1)结构:图12-15 (g),(h),(i) (2)特点: 优: 对焊,易探伤 抗疲劳性能好 缺: 成本高,加工难 (3)适用范围:高压 重要设备 (3)加强圈的补强: ①结构: 图12-15. (a),(b),(c) ②特点: 优:简单,易加工,使用经验丰富 缺:抗疲劳性能差,热应力大,K 大. ③适用范围: P 241 ⎪⎩⎪⎨⎧≤≤≤385.1540un s MPa σδσσ补三:壳体开孔的有关规定1. 允许不补强时开的最大孔直径 P 242.(1)-(4) ① P c ≤2.5MPa②开孔中心距A>=两孔直径和的2倍. )(221φφ+≥A ③接管外径d 0<=89mm④接管最小壁厚min σ满足表内要求.2. 壳体上允许开的最大孔直径d max , P 242.(1)-(3)(1) 圆筒⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≤≤≤≤≤≤m m D d D m m D d D i i i i 10003150052021500max max且时，且时， (2) 凸形封头与球壳的2max iD d ≤(3) 锥壳或锥形封头的3max i Dd ≤(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. 四.等面积补强计算方法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 2常用的开孔补强准则-----等面积补强准则 3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. 4.等面积补强计算方法. P 243 (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ntn d B dB δδ222++== 取大值有效高度h 外伸长度dh nt δ=1内伸长度ntd h δ=2 取小值 （4）计算有效补强面积0A43210A A A A A +++=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 )1)()((2)(1r e nt e f c d B A ------=δδδδδ）（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 r nt r d nt f c c h f c h A )(2)(22212--+--=δδδ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2)21(3⨯⨯=高底A4A ——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。

筒体封头开孔接管计算公式经典版筒体封头开孔接管计算公式是广泛应用于压力容器设计和制造中的重要方法。

根据力学原理和压力容器的几何形状，这个公式可以方便地计算出开孔后的圆筒体和封头的受力情况，从而保证压力容器的安全可靠运行。

以下是筒体、封头开孔接管计算公式的经典版：1.筒体开孔接管计算公式：筒体开孔接管一般指的是筒体上的法兰接管，通过法兰将管道与筒体连接起来。

在计算过程中需要考虑到筒体、法兰和管道之间的受力情况以及压力的作用力。

强度计算公式：σ=Pd/(2t)+2(S-E)/3其中，σ为筒体截面上的应力，P为压力，d为内径，t为筒体的壁厚，S为材料的抗拉强度，E为材料的弹性模量。

2.封头开孔接管计算公式：封头开孔接管主要应用于封头（如圆形封头、椭圆封头等）上的接管设计。

在计算过程中，需要考虑到接管的受力情况以及压力的作用力。

强度计算公式：σ=Pd/(2t)+(3S-4E)/6其中，σ为封头内径的应力，P为压力，d为内径，t为封头的壁厚，S为材料的抗拉强度，E为材料的弹性模量。

这些公式是根据力学原理和压力容器的几何形状综合应用而来的，适用于一般情况下的压力容器设计和制造。

但是需要注意的是，在具体的计算过程中，还需要考虑到一些特殊情况，例如材料的应力松弛、温度的变化等因素，以确保压力容器的安全设计。

总结起来，筒体、封头开孔接管计算公式经典版是基于力学原理和压力容器几何形状的计算方法。

在设计和制造压力容器的过程中，通过应用这些公式，可以得出开孔接管后筒体和封头的受力情况，从而保证压力容器的安全运行。

但是，在具体计算过程中还需要考虑到一些特殊情况，以确保设计的准确性和可靠性。

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。