开孔补强范文

开孔补强范文（精选7篇）

开孔补强 第1篇

在日常的设备设计工作中, 由于各种工艺和结构上的要求, 不可避免地要在容器上开孔并安装接管等。开孔以后, 除削弱器壁的强度外, 在壳体和接管的连接处, 因结构的连续性被破坏, 会产生很高的局部应力, 给容器的安全操作带来隐患, 通过实践证明, 大多数压力容器的破坏都是从此开始, 因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强问题。

根据工程设计情况, 壳体上的开孔一般为圆形、椭圆形或长圆形。

2 开孔应力分析

在圆筒上开孔不仅削弱容器壁的强度, 而且在开孔附近的局部区域形成很高的应力集中。较大的局部应力, 加上接管上由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, 往往会形成容器的破坏源。因此, 对于开孔的补强首先应该研究开孔的受力分析。其基本方法是弹性力学的大平板开小孔的分析。

2.1 容器上开小圆孔

基于弹性力学的大平板开小孔理论, 在以双向受拉伸的无限大平板上开小孔时孔边的应力集中作为理论基础时, 仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力。

在双向拉伸时, 开孔边缘的应力集中是单向拉伸的最大应力和最小应力的叠加[1], 如图1所示。

符号说明:

θ轴向应力MPaK应力集中系数

P圆柱壳体设计压力MPa R圆柱壳体曲率半径mm

δ圆柱壳体厚度mmd开孔直径mm

Di壳体内直径mm

对于圆柱壳上开小孔的情况, 当把圆柱壳展平, 也是双向拉伸。只是, 在上述情况中双向拉伸的力相同, 均为б。而在圆柱壳中, 轴向拉伸 (图中X方向) 的力бx=PR/2δ, Y向拉伸的力бy=PR/δ, бx只是бy的一半。所以, 当θ=0、π (圆柱壳的轴向) 处:

显然, 最大应力发生在径向截面上, 应力集中系数K=2.5。并且由图1中的应力变化曲线可以看出, 离开开孔边缘, 应力的峰值会迅速降低, 而在远离开孔边缘的圆柱壳截面上, 其受力不受开孔的影响, 仍为均匀的薄膜应力。

由此我们可以得出以下结论: (1) 开孔边缘有应力集中存在; (2) 开孔边缘的应力集中具有局部性质; (3) 开孔边缘的应力集中具有衰减性。

2.2 容器上开长圆孔

对于圆柱壳上开长圆孔的情况, 当把圆柱壳展平, 也是双向拉伸。在双向拉伸时, 开孔边缘的应力集中也是单向拉伸的最大应力和最小应力的叠加。在圆柱壳中, 轴向拉伸 (图中X方向) 的力бx=PR/2δ, Y向拉伸的力:бy=PR/δ, бx只是бy的一半。

1) 如图2所示情况下, 即开孔长轴平行于X轴时 (бy=2бx) :

显然可以得出应力бB为最大应力, 其应力集中系数为:K= (1/2+2a/b) >2.5

2) 如图3所示情况下, 即开孔长轴平行于Y轴时 (бy=2бx) :

可以得出, 无法确定应力бA与应力бB的大小, 显然随长圆形孔的长短轴之比而变化。

综合上述情况分析, 可以看出, 大平板开孔问题, 椭圆孔边缘的应力集中系数比圆孔大。尽管当椭圆孔长轴平行于Y轴时其应力集中系数为 (a/b-1/2) , a/b比值较小时其应力系数小于2.5, 但当a/b比值较大时可能超过2.5。从上面开长圆孔的计算式中可以看出, 各计算式均含有长短轴的比值, 凡含有a/b者, 特别是长轴平行于X轴的, a/b比值越大, 应力集中系数就越大, 危险性就越大。因此在工程设计时, 必须限制长短轴之比。工程设计中, 对长短轴之比做出如下规定:当在壳体上开椭圆形 (或类似形状) 或长圆形孔时, 孔的长径与短径之比应不大于2.0。

同时可以看出, 在圆柱壳上开相同大小椭圆孔时, 当椭圆孔长轴平行于Y轴时的最大应力集中系数永远小于椭圆孔长轴平行于X轴时的最大应力集中系数, 所以这就要求我们在设计时, 优先选用椭圆孔长轴平行于Y轴, 尽量避免椭圆孔长轴平行于X轴时的情况。

圆柱壳上开小圆孔, 当将圆柱壳展平, 小孔的变形不会很大, 仍近似于圆孔;若是开大圆孔, 将圆柱壳展平后, 开孔将近似于椭圆孔, 应力集中系数可能增大。尤其是当d/Di较大时, 由于壳体曲率的影响, 开孔边缘将引起附加弯矩, 更加大了其应力水平, 危及安全。

d/Di之比较大时, 已经超出了“大平板开小孔”的假设。所以, 导致运用的计算就不可能正确。因此在工程设计时, d/Di之比必须予以限制。GB 150.1~150.4-2011对圆筒开孔时d/Di之比做出如下规定[2]:

当其内径Di1 500 mm时, 开孔最大直径d1/2 Di, 且d520 mm;

当其内径Di>1 500 mm时, 开孔最大直径d1/3 Di, 且d1 000 mm。

3 常见开孔计算直径的取值

通过上述开孔的应力分析, 我们在计算开孔补强时应考虑受力最危险截面。

当圆筒开孔时, 一般存在三种形式的开孔, 即可以有三个方向的接管, 如图4所示, 径向接管a, 斜向接管b和切向接管c, 具体取值如下:

对于斜向接管和切向接管, 壳体上开孔为椭圆和卵圆形状, 其开孔计算直径d的取法应以开孔的补强截面为依据进行认定。因为圆筒计算厚度是根据环向薄膜应力计算的, 所以开孔补强截面应以承受环向薄膜应力的截面进行考虑, 由此认定圆筒开孔补强截面应是与圆筒轴线相平行的纵向截面, 则开孔计算直径为孔沿纵截面方向的直径。

所以, 对斜向接管b其开孔计算直径取d;对切向接管c其开孔直径仍然取接管直径d;很明显径向接管a其开孔计算直径取d[3]。

摘要：在设计规范和设计手册中, 压力容器开孔和开孔补强已有的设计方法和原则介绍不够详细。文章通过对圆筒开孔的应力分析, 详细介绍开孔补强时计算直径的取值和补强的有效范围, 在以后的工程设计中, 以供参考。

关键词：开孔,开孔补强设计,应力分析,开孔计算直径

参考文献

[1]李世玉.压力容器设计工程师培训教程[M].北京:新华出版社, 2005.

[2]GB150.1～150.4-2011, 钢制压力容器[S].2011.

开孔补强 第2篇

开孔的结果,不但会削弱容器壁的强度,而且在开孔附近会形成应力集中,其峰值应力通常达到容器壁中薄膜应力的数倍,例如3倍,有时甚至达到5～6倍。这样高的局部应力,加上接管上有时还有其他的外载荷所产生的应力,温度应力,以及容器材质和开孔结构在制造过程中不可避免地会形成制造缺陷。残余应力、于是开孔附近就往往成为容器的破坏源-主要是疲劳破坏和脆性裂口。因此,开孔补强设计是压力容器设计中较重要的组成部分,是保证容器安全操作的重要因素。我们必须正确分析开孔附近的应力集中,并采取适当的补强方法。

1 开孔附近的应力分析

1.1 平板开孔附近的应力

经分析[1]:①平板开圆形孔;②壳体开孔;③平板开椭圆形孔;④无限大平板开多个孔。得出以下结论:

①开孔的应力集中区域内的应力是属于局部应力,衰减很快,作用范围为(RS)1/2量级;

②孔边应力最高,故在孔边补强最为有效;

③球壳开孔的应力集中系数k小于柱壳开孔的应力集中系数k(球壳k=2.0,圆柱壳k=2.5);

④在双向应力作用时(如轴向应力和环向应力),圆柱壳开孔边缘径向截面上的应力集中比周向截面上的应力集中大得多。所以,若需要在圆筒上开设椭圆孔时,宜使长轴垂直于圆筒轴线,否则将使柱壳强度大大降低;如图1中的(b)比(a)好。

⑤多个开孔,随着间距减小,其孔边应力梯度也减小,最大应力逐渐接近与按作用面积计算的平均应力;

⑥无论是球壳或筒体,若将开圆孔与椭圆孔相比,后者应力集中系数比前者大,故当接管的方向不在壳体的法线时,它的应力集中系数大于法向接管开孔,如图2中的(a)比(b)的应力集中系数大。

1.2 开孔接管附近的应力

(1)球壳上带接管的开孔。

球壳开孔带有接管并受内压力p作用时,其应力集中产生的主要原因是在开孔接管处,由于结构的连续性被破坏,壳体和接管变形不协调引起的。根据变形连续要求,在壳体与接管的连接处,除有薄膜应力的作用外,尚存在一组附加的力和力矩,从而引起的附加应力形成连续处局部区的应力集中。另外,按接管上有其他外载荷,而开孔结构在接管的焊接制造过程中,不可避免地会形成缺陷和残余应力,这是因为:①焊接焊缝时,可能出现气孔、未焊透等缺陷;②热应力存在,焊缝金属晶粒粗大,使强度或塑性降低;③结构刚性约束造成焊接内应力过大等;另外,压力容器的结构形状、承载状态及工作环境等,对接管处应力集中的影响均较开光孔复杂,所以,壳体处的应力集中较开光孔更为严重,k值可达3～6。但其衰减很快,具有明显的局部性,不会引起任何显著变形,故可允许应力峰值超过材料的平均屈服应力。

(2)圆柱壳上带接管的径向与非径向开孔。

经分析[1]得出以下结论:

①无论球壳或筒体,开圆形孔比开椭圆形孔应力集中系数小;②开孔直径愈大,开孔接管附近的峰值应力愈高;③开孔大小相同,接管壁厚增加,应力集中系数下降;④当采用插入式接管时,相同开孔直径,相同的补强金属截面,插入内伸式比插入平齐式应力集中系数较小,如图3中(a)比(b)较小。

2 开孔后的补强计算方法

通过对开孔附近的应力分析,可知在开孔附近有应力集中,即产生局部应力,因此可以采用在开孔附近用局部补强的办法来降低孔边的应力集中。下面对几种常用的开孔补强计算的方法进行阐述及比较。

2.1 等面积补强法

等面积补强法其原则是在开孔处所加补强材料的截面积应与壳体由于开孔而失去的截面积相等。这是基于维持容器整体屈服强度概念的方法。补强后对不同接管会得到不同的应力集中系数,实际上即对不同接管补强后将有不同的安全系数。

其优点:有长期的实践经验,简单易行。由于等面积法是建立在无限大平板开小孔的理论基础上,故对小直径开孔安全可靠,并适用于并联开孔及不规则的结构。因此,各国规范对于几个接管相当接近而又相互干扰的情况,仍采用等面积法。

其存在问题:过于简化,设计受容器直径影响,故没有在全部容器与接管几何比例范围内针对塑性失效给出均一的安全系数。因而在某些场合下,补强材料可能过大,而从疲劳强度来看,有些配置又嫌不足。如曾对一直径1600 mm,壁厚18 mm,开孔直径900 mm(开孔处已采用等面积法补强)的容器,用“三维有限元程序”进行计算,发现局部应力峰值以达到6000 kgf/cm2以上。这表明等面积法某些时候不是偏于保守,而是不足,特别是薄壁大开孔时更应注意。

因此在应用等面积补强法中,须注意以下两点:

(1)必须限制开孔直径与壳体直径d/D之比。因为该法计算原理是基于大平板的开孔问题出发的,当d/D较小时,开孔附近的壳体近似以大平板问题考虑,不致引起很大误差。当d/D较大时,由于壳体曲率的影响,在开孔边缘引起附加的弯矩等,使边缘的应力状态恶化,这种附加的弯矩对孔边应力会产生很大的影响,所以基于平板开孔问题的等面积法就不能适用。

(2)等面积法从其计算意义上讲,未计及开孔边缘的应力集中问题,仅就开孔截面积的平均应力——整个截面的一次应力强度进行考虑的,对开孔区局部应力部位的安定问题未予校核。尤其是在圆筒形壳体上纵向长圆形(椭圆)开孔的情况下,当长短轴之比较大时,在长轴顶点处,可能产生很高的局部应力,极易发生不安定问题,而这种等面积补强计算方法中是未能体现的,所以该方法通常仅适用于长短轴之比小于或等于2的开孔情况。对于长短轴之比大于2的情况,孔边局部高应力部位必须辅以安定性校核。对具有疲劳破坏的情况,则尚应考虑疲劳强度问题。

国家标准GB150-1998中 8.2规定了容器上开孔的范围。

圆筒:Di≤1500 mm时,$d\le \frac{1}{2}D{}_i$,且d≤520 mm

Di>1500 mm时,$d\le \frac{1}{3}D{}_i$,且d≤1000 mm

凸形封头或球壳:$d\le \frac{1}{2}D{}_i$

锥壳:(或锥形封头):$d\le \frac{1}{3}D{}_i{}^{[2]}$

式中:Di——壳体内直径,mm

d——开孔直径,mm

2.2 整体元件补强法

此补强法是根据极限分析和安定性原理提出的,由于金属具有延性和形变硬化的性能,如果峰值应力不超过材料屈服限的2倍,那么,开孔边缘并不会出现大面积的塑性流动。因此,允许用开孔周围的不连续应力和一次薄膜应力迭加后,小于3倍的许用应力的准则作为计算壳体或接管上所需的加厚量。采用此方法补强,对于不同的接管,补强后,也都具有相同的应力集中系数。这种方法可推荐作为中压及高压容器开设径向接管的补强。

此补强法一般只局限于受压容器中的圆筒、球壳、凸形封头(在以封头中心为中心80%封头内直径范围内)的径向单个圆形开孔的补强设计; 两相邻开孔边缘的间距不得小于$2.5\sqrt{\left(\frac{D{}_i+\delta {}_n}{2}\right)\delta {}_n}$;在圆筒上,最大开孔尺寸应在$d/D{}_i\le 0.5‚\frac{d}{\sqrt{\frac{D{}_i\delta {}_{nt}r{}_2}{\delta {}_n}}}\le 1.5$,且$\frac{D{}_i}{\delta {}_n}=10\sim 100$的范围内;在球壳和凸形封头上,最大开孔尺寸应在$\frac{d}{\sqrt{D{}_i\delta {}_n}}\le 0.8$,且$\frac{D{}_i}{\delta {}_n}=10\sim 100$的范围内;如用接管和补强件补强,则应与壳体焊成一整体,且采用全焊透焊缝。过渡部分需按JB4732-95图10-2的要求打磨圆角(见JB4732-95附录H)[3];接管补强件及壳体所用材料的标准常温抗拉强度与屈服点之比σb/σs≥1.5。(符号说明:Di为壳体内径,δn为壳体名义厚度,d为开孔直径,δnt为未补强接管名义厚度,r2为打磨圆角半径$\ge max[\sqrt{d\delta {}_n}‚\delta {}_e/2]‚\delta {}_e$为壳体有效厚度。)

常用整体元件补强的形式有:

①加厚接管补强;

②加厚容器补强;

③同时加厚容器及接管补强。

加厚接管补强适用于中压及中高压的压力容器开孔补强,当容器壁厚与接管壁厚相差较多时,采用这种补强结构,可以有利于保证焊接质量;加厚容器补强常用于容器上开较大直径或开多孔场合,对薄壁容器开较大空时,加厚容器壁厚不但可增加容器刚性,开孔后变形小也便于与接管焊接,但由于是容器整个壳体壁厚加厚,特别是比较大的设备,采用此方法,大大的增加了制造费用;同时加厚容器及接管补强可用于压力较高或重要场合,补强金属集中于开孔应力最大部位,能最有效地降低应力集中系数,可采用对接焊缝,并使焊缝及其热影响区离开最大应力点,抗疲劳性能好,是一种较好的补强方法。例如,球罐中的人孔采用此结构较为合理。因为它既保证因开孔削弱的强度得到充分补强,节省材料,且避免了补强处壁厚的突变,降低了应力集中程度。焊缝采用对接,便于进行射线检测或超声波检测,从而保证焊缝质量。但从供货方面考虑,还是比较困难的。工程上采用什么样的补强形式,不但要从强度考虑,还需从工艺要求、制造简便、方便施工、经济划算等综合因素进行选择。

2.3 压力面积法

压力面积法主要是用于超出GB150-1998规定的开孔范围的设计,即用于大开孔补强。它是以圆筒壳体在端部均布力作用时,壳体中局部环向薄膜应力的衰减范围考虑的。压力面积法的有效补强宽度取$\sqrt{D\delta }(D$为壳体中径,δ为壳体有效厚度),可见它只与开孔壳体的直径、壁厚有关,与开孔直径无关。

HG20582-1998第7章给出了压力面积法的适用范围:$0.002\le \frac{\delta -C}{D{}_i+2\delta }\le 0.1(\delta$为壳体壁厚,C为壳体壁厚附加量,Di为壳体内径),开孔内径与壳体内径之比di/Di超过GB150-1998中的范围,但不超过di/Di≤0.8[4]。

此方法适用于内压圆筒形壳体、球形壳体的圆形开孔补强。它允许压力试验时最高应力的局部区域产生可达1%的塑性变形。

应用压力面积法时,必须满足和注意下5个条件:

(1)接管与壳体应采用全焊透结构,接管与壳体连接内外壁应避免尖角过渡,而采用r圆角过渡。

(2)接管、壳体、补强件的材料其常温屈强比应满足σs/σb≤0.67。应避免采用标准常温抗拉强度下限值σb>540 MPa的材料,如要采用,须在设计和检验等方面作特殊考虑。

(3)接管、壳体、补强件之间的焊缝应进行无损检测(即D类焊缝应进行磁粉检测,按JB/T4730-2005 I级合格)。

(4)此补强方法不宜用于介质对应力敏感的场合。

(5)大开孔应避免用于可能产生蠕变或有脉动载荷的场合。

目前,在我国,压力面积法尚不能作为合法的设计依据,当壳体开孔超出GB150-1988规定时,该方法只能作为参考。在《压力容器设计》中,强调指出:当开孔率超出GB150-1998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经验设计[5]。而随着社会发展的需求,大开孔越来越常见,因此,大开孔的补强方法是我国标准规则设计中有待纳入的一大课题。

3 结 论

综上所述,比较可知,各个补强方法都有各自的优缺点,等面积补强法由于结构简单,且易制造,在化工生产过程中,这一补强方法较为受欢迎;整体元件补强法结构较为笨重,且制造成本相对较高,建议用在中压及高压容器开设径向接管的补强;压力面积法,它解决了超出GB150-1988范围的开孔,但它又不能做为合法的设计依据,只能在设计中作为参考。在压力容器设计中,应根据压力容器的工况,以及容器开孔的大小,来采用比较合理又经济的补强方法。

摘要：通过对开孔附近的应力分析,可知在压力容器上开孔,不但削弱了容器的材料强度,而且导致容器局部应力集中,使压力容器的承载能力降低,在其设计工艺条件下会产生危险,成为压力容器破坏的重要因素之一。因此,压力容器开孔后需进行补强,本文对几种开孔补强的方法进行阐述和比较。

关键词：压力容器,开孔补强,应力,方法

参考文献

[1]丁伯民,黄正林.化工容器[M].北京:化学工业出版社,2003:177-185.

[2]国家技术监督局.GB150—1998钢制压力容器[S].北京:中国标准出版社,1998(5):27-48.

[3]机械工业部,中国石油化工总公司.JB4732—95钢制压力容器——分析设计标准[S].北京:中国行业标准出版社,1995:78-82.

[4]国家石油和化学工业局.HG20582—1998钢制化工容器强度计算规定[S].北京:中国行业标准出版社1,998:117.

[5]李世玉.压力容器设计[M].北京:新华出版社,2005:207-211.

压力容器开孔补强方法比较 第3篇

1 基本原理

1.1 PVRC法

美国PVRC通过对大量整体锻件补强结构的实验分析后提出下面的补强准则:接管与筒体或壳体发生全域塑性失效时的极限压力等于未开孔时筒体或壳体的屈服压力 (即p1=0.98ps) , 并且允许开孔或接管处最大应力为3倍许用应力 (亦即σmax=3[σ]) 。GB150-89《钢制压力容器》规定的适用范围为:1) 适用于承受内压的圆筒、球壳及凸形封头 (在以封头中心为中心80%封头内直径范围内) 的径向单个圆形开孔的补强设计;2) 两相邻开孔边缘的间距不得小于2.5[S (Di+Sn) /2]1/2;3) 在圆筒上, 最大开孔尺寸应为d/Di1/3, d/ (DiStr2/S) 1/21.5, 且Di/Sd为10~100;4) 在球壳和封头上最大开孔尺寸应为d/ (2R) 0.5, d/ (2RS) 1/20.8, 而且2R/Sd为10~100;5) 如用接管和补强件补强, 则应与壳体焊成整体, 且采用全熔透焊缝, 过渡部分需要考虑过渡半径并打磨光滑;6) 接管、补强件和壳体所用材料的标准常温抗拉强度与屈服强度之比σb/σs≥1.5。

1.2 实验屈服法

实验屈服法又称削弱系数法, 它对压力容器上不同尺寸的开孔垂直接管, 进行一系列压力实验, 由开孔接管与壳体连接部位的最大应力达到屈服并产生不大于1%塑性变形所需的应力, 导出不同的容器开孔系数与容器接管的壁厚比所对应的削弱系数, 绘出曲线图。作补强设计时, 需将削弱系数值代入壳体厚度公式中, 通过曲线图反复求取容器壁厚, 直到满足要求。可见, 实验屈服法是建立在实验基础上的。它的塑性变形接近于塑性失效的极限状态, 亦属于塑性安定性的一种设计准则。其适用范围:1) 内压圆筒、锥壳和球壳的径向圆形开孔, 而且壳体壁厚比0.02 (SeC1-C2) /D00.1的开孔补强计算。当直径比di/Do1/3时, 可以低于壁厚比的下限;2) 凡按材料长期性能进行计算的或必须按AD规范设计的圆筒和锥壳, 例如用高强钢或受交变载荷较大时, 则开孔的最大直径比di/Do0.8;3) 对开孔接管未考虑外载作用, 如果容器接管受外力或弯矩时, 需另行处理;4) 适用于塑性韧度均好的材料, 如果用于脆性材料时, 应适当提高安全系数, 以降低应力水平;5) 使用本规则要特别注意结构在应力分布上的合理性, 尤其是用高强钢时, 要避免截面的突然改变。对于开孔接管补强结构必须焊透, 以避免过高的焊接应力和焊接缺陷, 转角要考虑适当的过渡半径并打磨光滑。

1.3 压力面积法

压力面积法是在压力容器开孔区的有效范围内, 以容器受压面积与金属承压面积的平衡为基础的。它是一种近似的分析方法, 基本上是一种经验方法。它不仅用于容器单个的垂直接管, 也可用于并联开孔及斜接管的开孔补强计算。

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2 比较

2.1 应力集中系数

开孔补强的目的在于降低开孔所引起的应力集中程度, 提高器壁的强度。应力集中程度是用应力集中系数来描述的。应力集中系数是指受压容器或部件实际的最大应力σmax与容器周向膜应力σθ的比值, 即K=σmax/σθ。确定了应力集中系数, 就可求出开孔处的最大应力。

PVRC采用应力指数法。应力指数K是指所考虑的各应力分量与容器在无开孔接管时的薄膜应力之比, 其含义实际上类同于前述的应力集中系数。诸方向的应力中各有一最大值σ, 应力指数K表示为K=σ/σθ。该方法仅适用于单个开孔接管, 而且Di/Sn100, di/Di0.5, 此外接管根部的内外侧均需按规范给出足够的过渡圆角及加强高度尺寸。应力指数法仅考虑受内压载荷时引起的应力集中。按照PVRC法进行开孔补强后, 均能使应力集中系数K3.0。

弹性应力分析法采用应力集中系数曲线中的应力集中系数K。该曲线是以接管与壳体厚度之比St/S为参变量, 以开孔系数ρ (ρ= (r/R) (R/S) 1/2=r/ (R S) 1/2, r和R为接管与球壳的平均半径) 及K值为坐标绘制的。该曲线不仅有承受内压载荷的情况, 还有接管受轴向力、横向剪力及弯矩等的情况。适用范围是:0.01r/R0.4, 30R/S150, 补强后K2.25。

实验屈服法和压力面积法进行开孔补强设计, 其应力集中系数的计算基础实际上是求取一种平均应力, 是随具体的开孔补强结构尺寸变化而变化的。最大应力是按第三强度理论确定的, 即σmax=σ1-σ3。第一主应力σ1是根据开孔接管影响区的力平衡求得的, σ1=pAp/Aσ。其中, Ap是开孔后的非平衡压力载荷作用的面积, Aσ是承受非平衡压力载荷的有效面积。第三主应力σ3由径向应力σr确定, σ3=σr/2。

2.2 适用范围

由前述可知, PVRC法适用范围小, 且对材料性能要求高, 所用材料的最小拉伸强度与最小屈服强度之比不得小于1.5。而实验屈服法和压力面积法对材料并没有特殊要求。另外, PVRC法适用的开孔范围对球壳为d/Di0.5, 对圆筒为d/Di1/3。而实验屈服法和压力面积法可适用于开孔率d/Di<0.8的开孔补强设计。应特别指出, 当压力容器的开孔率d/Di>0.5时, PVRC法是不适用的, 因超出了ASME第VIII卷一分册和GB150-89规定的适用范围, 这种开孔称之为大开孔。AD规范规定壳体部分补强宽度B=[ (Di+Sa-C1-C2) (Sa-C1-C2) ]1/2, ASME第VIII卷一分册规定等面积补强法壳体补强宽度为B=di/2或S+St的较大值。AD规定接管补强高度Ls=1.25[ (di+Ss-C1-C2) (Ss-C1-C2) ]1/2, ASME第VIII卷一分册规定接管补强高度H=2.5S或2.5St的较小值。由此可见, 压力面积法的壳体补强宽度与壳体内径及壳体厚度有关, 与开孔大小无关。等面积补强法的壳体补强宽度与接管的内径或接管和壳体的厚度有关, 与壳体内径无关。

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当di/Di小时, 压力面积法补强宽度大于等面积补强法的补强宽度;当di/Di较大时, 压力面积法的壳体补强宽度比等面积补强法壳体补强宽度小。开孔周围的应力分布越靠近孔边, 应力越大, 因此, 对较大开孔, 压力面积法补强金属比等面积法更密集于开孔接管的周围, 应力集中系数小, 应力衰减快, 补强效果好。另外, 大开孔已在德国大量使用, 压力面积法具有大量的设计实践经验, 故较大开孔的补强采用压力面积法既合理又安全。

2.3 加工制造工艺等综合性能

开孔补强的效果不能仅从降低应力集中程度一方面看, 还应考虑补强结构的合理性, 所需的补强金属量和焊接工作量, 加工制造的工艺性, 整个过程的费用情况等等。

当开孔率d/Di0.2时, PVRC法和AD方法补强后的接管厚度相差不大, 即补强金属量相差不大, 且接管与壳体厚度之比St/S<1。即使对于壳体厚度较大的容器, 补强金属用量也不会很大。此时, 降低应力集中系数成为开孔补强的主要目的。由于当开孔率小时, PVRC法补强后的应力集中系数小于AD方法。故当开孔率d/Di不大于0.2时, 采用PVRC法进行开孔补强较合理。

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当d/Di≥0.3时, PVRC法补强接管厚度明显大于AD方法, 且St/S>0.5, 这样PVRC法所需补强金属量大。由于高压容器器壁一般较厚, 此时减小接管厚度和补强的金属量成为主要目的, 因此宜用AD方法。否则接管厚度太大, 不仅浪费大量材料, 而且在制造上较困难。

当0.2

3 结论

1) PVRC法对适用范围限制严格, 能保证补强后的应力集中系数K3.0。在开孔率d/Di不大于0.2时, 采用PVRC法较合理;2) 实验屈服法和压力面积法适用范围广, 补强后应力集中系数随补强结构尺寸而变化, 不能保证在一个具体范围内。此2种方法适用于开孔率d/Di不小于0.3, 且对最大应力峰值限制不高的场合;3) 对开孔率d/Di>0.5的大开孔情况, 压力面积法显示出更大的合理性和优越性。

摘要：在工程应用中经常需要为了满足各种工艺和结构上的要求在压力容器上开孔和安装接管。容器开孔以后, 一方面削弱了器壁的强度, 于是降低了容器的承载能力;另一方面, 器壁开孔和接管破坏了原来结构的连续性, 在开孔附近导致很高的应力集中, 成为容器的薄弱环节。

关键词：压力容器,开孔,补强方法,比较

参考文献

[1]汪成君.压力容器开孔补强的快速判别法[J].大庆高等专科学校学报, 2001 (4) .

[2]刘蔚倩.压力容器的富氩混合气体保护焊工艺[J].湘南学院学报, 2005 (5) .

压力容器开孔补强对比分析 第4篇

1 内压容器开孔补强

内压容器常用补强方法有:等面积补强法与压力面积补强法。

1.1 等面积补强法

等面积补强法得名之源即壳体截面因开孔被削弱的承受强度的面积,须以同样强度的补强材料以同等面积予以补偿。

实际工程中,补强材料与开孔母材不总是同种强度,因而在等面积补强法中,均做了相应的修正,其依据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](即A[σ]),须以补强材料的强度面积A0乘以补强材料在设计温度下的许用应力[σ0](即A0[σ0])予以补偿,故而看得出等面积补强法的实质为A0[σ0]=A[σ]。尽管如此,有进一步规定,如若[σ0]>[σ],A0不得小于A,即如若补强材料强度高于开孔处母材的强度时,要求补强材料的补强面积不得小于被消弱的强度面积。以上是等面积补强法的理论基础。

壳体开孔后,在开孔边缘产生局部高应力,根据局部应力的分布衰减规律,在距离孔边缘较远处,局部应力迅速衰减,即开孔对于离开孔较远处的影响极为微弱,故而补强材料只有在有效补强范围内,才能更好的起到补强作用。

补强范围分布在两个部分上:开孔壳体和接管[1]。等面积补强法以大平板开小孔模型来考虑的,壳体上有效补强范围b取为2倍开孔直径d,即b=2d;接管上有效补强范围取为$\sqrt{d\delta {}_{\text{n}}}(d$—开孔直径,δn—接管名义厚度),其依据为:以端部受局部载荷的圆柱壳的环向薄膜应力的衰减范围进行考虑。进行补强计算时,在有效补强范围内,壳体与接管上多余的面积(有效厚度提供的面积减去计算厚度所需的面积)均可作为补强面积。

1.2 压力面积补强法

压力面积补强法是AD压力容器规范中所采用的开孔补强方法。可用于开孔内径与壳体内径之比d/D超过GB150《钢制压力容器》中的范围[2],但不超过0.8,即d/D≤0.8。补强材料与开孔处母材相同时,按照下式进行补强计算:

$\left(\frac{A{}_p}{A{}_{\sigma }}+\frac{1}{2}\right){\rm P}\le [\sigma ](1)$

式中:AP——补强有效范围内的压力面积

Aσ——补强有效范围内承压金属的截面积

P——计算压力

[σ]——材料许用应力

压力面积补强法的有效宽度为:

$b=\sqrt{(D{}_i+\delta -C)(\delta -C)}$

式中:b——壳体补强的有效宽度

Di——筒体内径

δ——壳体壁厚

C——壳体厚度附加量

式(1)变形可得:

$\left(A{}_p+\frac{A{}_{\sigma }}{2}\right){\rm P}\le A{}_{\sigma }[\sigma ](2)$

从式(2)可以看出,压力面积补强法实质为:承压金属在其许用应力范围内足以承载内压作用于容器所引起的载荷,其本质与等面积补强法并无不同。

1.3 对比分析

通过等面积补强法与压力面积补强法的对比,看得出,无论是等面积补强法还是压力面积补强法,其理论基础均为静力平衡,在强度计算原理上是一致的,均以壳体承载能力与内压力相平衡为准则而进行计算的,如若所取补强范围相同时,基于两种补强法所计算出来的补强所需面积其差别极为微小,文献[3]进行过相应对比计算;而两种补强方法不同之处在于其对壳体有效补强范围规定不同,等面积法的壳体有效补强宽度与开孔直径相关,压力面积法的壳体有效补强宽度与壳体直径及厚度相关。

2 外压容器及平盖开孔补强

外压容器补强计算按照下式:A=0.5[dδ+2δδet(1-fr)],而对比内压容器所需补强面积:A=dδ+2δδet(1-fr),可以看得出外压容器所需补强面积为内压容器所需补强面积的0.5倍,其实外容器开孔补强与内压容器开孔补强并无实质联系。对于外压容器,其主要承受的是弯曲应力,在外压容器上开孔后,容器补强要求为:在开孔有效补强范围内,所需补强面积为开孔削弱的“抗弯面积”,补强后须有不低于开孔前的抗弯强度[4],在有效补强范围内,补强面积达到A=0.5[dδ+2δδet(1-fr)]时,其抗弯强度已满足要求,故而选用该计算方式,但其本质与内压容器补强的本质是不同的。

平盖开孔补强所需面积计算公式:A=0.5dδp,之所以取开孔处断面面积的0.5倍,其原因和外压容器开孔补强相同。

为进一步说明外压容器及平盖开孔补强的计算,本文将从理论上做出推导。以平盖开孔为例,如图1。正如文中所述,外压容器及平盖开孔补强要求为:开孔补强后截面所具有的抗弯强度W不得低于开孔前截面所须具有的抗弯强度值W0,式(3)为开孔补强后有效范围内截面的抗弯强度,式(4)为开孔强相应范围的抗弯强度值,通过式(5)联立,计算得出:δx≈0.414δp。

W=(2d-d)(δp+δx)2/6 (3)

W0=2dδ${}_p^2$/6 (4)

W=W0 (5)

通过以上计算得出,平盖开孔所需补强面积为:A=(2d-d)δx=0.414dδp,前文中提到A=0.5dδp,亦为保守考虑,文献[4]对于外压容器及平盖开孔补强计算有相关说明。

式中:A——开孔削弱所需的补强截面积

d——开孔直径

δ——开孔计算厚度

δet——开孔处接管有效厚度

fr——强度削弱系数

δx——所需补强厚度

δp——平盖计算厚度

W——开孔补强后截面抗弯强度

W0——开孔前截面抗弯强度

3 结 论

通过以上分析得出以下结论:

(1)等面积补强法与压力面积补强法理论基础一致:均为静力平衡;其差别在于有效补强范围不同;

(2)外压容器补强计算本质与内压容器不同,其理论基础为:补强后抗弯强度不低于开孔前抗弯强度;

(3)平盖开孔补强与外压容器理论相同。

摘要：压力容器开孔补强的计算方法有等面积补强法和压力面积补强法,通过对比分析内压容器开孔补强计算,总结出内压容器等面积补强法与内压容器压力面积补强法的共通点及两种补强方法的区别,同时本文对内压容器与外压容器及平盖开孔补强计算做了相应的对比分析。

关键词：等面积法,压力面积法,压力容器,补强范围

参考文献

[1]国家技术监督局.GB150钢制压力容器GB150-1998[S].北京:中国标准出版社,1998:79-80.

[2]西德AD压力容器规范(中译本)[S].上海:化学工业部设备设计技术中心站,1979:77-78.

[3]压力容器开孔补强设计方法比较[J].石油化工设计,2002,19(2):17-19.

开孔补强 第5篇

由于工艺流程的需要, 在压力容器的壳体和封头上往往需要进行开孔。开孔的结果不仅使容器的强度降低, 而且在开孔周边引起的应力集中也会对容器带来危害。目前, 在压力容器设计领域常用的开孔补强方法是基于弹性失效设计准则的等面积设计法和基于塑性失效准则为基础的极限分析法。

壳体和封头上的开孔应为圆形、椭圆形。对非圆形开孔长短径之比不大于2。壳体的开孔补强可采用补强圈补强和整体补强两种结构形式。采用补强圈补强时, 应遵循三项规定, 即壳体和补强圈钢材的标准抗拉强度下限值δ≤540MPa;补强圈厚度小于或等于1.5倍的壳体名义厚度;壳体名义厚度小于等于38mm。整体补强是指采取增加壳体厚度, 或用全焊透的结构形式将厚壁管或整体补强锻件与壳体相焊的补强形式。

2 孔补强方法应用概况

壳体开孔边缘的应力可以分为三种, 即局部薄膜应力、弯曲应力以及峰值应力。由于这三种应力的性质不同, 因此补强的准则也不尽相同。对于薄膜应力补强的准则是保障开孔局部截面的静力强度或防止失稳;对于弯曲应力, 由于它是因孔边协调产生属二次应力, 则补强的准则从安定性方面加以考虑;孔边的峰值应力与破坏与疲劳相关联。

唐玉江从理论分析的角度对补强圈、厚壁管和整体锻件三种补强方法进行了比较, 王磊介绍了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压力面积法。于斐介绍了上述三种方法的区别。对于开孔处的应力分析, 王相意、张永田、王忠臣和王磊都提出可根据应力分类准则, 将开孔与接管处的应力分为:在开孔边缘处的一次局部薄膜应力, 为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所需的二次弯曲应力以及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峰值应力。

3 种补强方法有限元模型的建立

3.1 容器结构

内径为1000mm的圆柱形容器, 采用标准椭圆封头, 在封头中心设置Φ325的内齐平接管。设计压力p=9MPa, 设计温度为150℃, 接管的外伸高度为200mm, 筒体与封头的材料均为16 Mn R, 接管的材料为20#钢, 采用全熔透焊缝。其中, 在150℃下, 16Mn R的许用应力为163MPa, 20#钢的许用应力为132MPa。腐蚀裕量取2mm, 钢板厚度负偏差忽略不计。

3.2 模型尺寸的确定

根据GBl50-1998的计算方法, 取封头与筒体的名义厚度为36mm, 接管的名义厚度为15mm。筒体向下截取300mm, 所需的补强面积为6651m2, 根据补强圈标准JB/T4736-95, 选用外径为550mm的补强圈, 补强圈的厚度为32mm。根据厚壁管的标准, 选用补强管的内径为293mm, 补强段外径为377mm, 整体锻件补强设有专门的标准进行设计, 封头补强段的厚度取56mm。

3.3 有限元模型的建立

在建立有限元模型时, 采用轴对称模型, 单元采用PLANFA2号单元, 在筒体的下端加Y向的约束, 在模型的内表面加9MPa的内压, 在接管的顶端加向上的等效压力。在补强罔朴强中, 将焊缝与封头建为一体。而补强罔与封头之间则存在间隙。为了能进行比较, 在本文分析的各种补强形式中, 金属补强面积保持相同。

4 结果分析

4.1 封头与接管处的应力分布

从为补强圈补强, 厚壁接管补强和整体锻件补强结构在内压作用下的应力强度分布云图, 可以看到在补强圈补强中, 最大应力强度点出现在补强圈与封头的焊缝位置, 在厚壁管补强中, 最大应力强度出现在厚壁管与封头的焊缝位置, 而在整体锻件补强中, 最大应力强度出现在封头与加厚部分的过渡区。最大应力强度分别为259MPa, 277MPa和209MPa。在应力强度分布方面, 补强圈补强在接管与封头的连接处有明显的应力集中, 在厚壁接管中也在此处存在应力集中, 而在整体锻件补强中, 应力分布比较均匀。从补强的效果上来看, 补强圈补强和厚壁管补强中只有一小部分补强材料真正起到了补强的作用, 大部分的材料为低应力区的材料利用率较低。而在整体锻件补强中, 大部分材料都起到了补强的作用。

4.2 路径分析

在接管内壁应力最大点处沿管壁厚度方向上, 整体锻件补强和厚壁接管补强的膜应力强度和膜加弯应力强度相差不大, 整体锻件补强中应力强度值比较低。而在接管上端远离开孔区, 厚壁接管补强的应力强度值最小, 整体锻件补强的弯曲应力强度比较大, 从而导致其膜加弯应力最大。在接管与封头焊接处接管壁厚方向上, 整体锻件补强应力强度值最小, 补强圈补强次之。

封头靠近筒体的位置存在一处应力集中, 在应力集中点沿封头壁厚方向上, 置种补强方式下应力强度值相差不大。在最大应力点处沿封头厚度方向上, 整体锻件补强的膜加弯应力强度最小, 补强圈次之, 厚壁管最大,

从上面的分析可以看出, 厚壁接管除了在接管顶端处应力强度最小外, 各个路径上的应力强度值都比较大, 为了改善这种状况, 可以采用内伸管的方式。接管内伸的长度不同时, 其应力强度值也是不一样的, 随着内伸长度的增加, 接头区的应力强度值明显减小, 取内伸长度为12mm, 此时, 接头区的应力强度分布云图可以看到, 最大应力强度由齐平管时的277 MPa减小到242MPa。接管内壁的最大应力点明显内移, 说明内伸段起到了补强的作用。接管内伸之后, 各条路径上的应力强度值比内齐平条件下都有明显的降低。与补强圈补强相比, 除了在最大应力点处沿封头厚度方向上膜加弯应力强度略大之外.内伸接管朴强在各路径上应力值均比较小, 补强效果更明显。

结论

本文对常用的压力容器开7L补强方法进行了分析, 介绍了三种补强方法有限元比较分析, 可以看出补强圈补强效果不是很理想, 会产生较大的应力集中, 而且按标准设计的补强圈趋于保守, 有很大一部分补强金属载荷值较小, 最大值出现在焊缝区, 对焊缝要求较高。齐平补强管的补强效果也不理想, 存在较大的应力集中, 也有很大一部分补强金属承载较低, 同时对焊缝的要求很高。当采用内伸接管时, 随着内伸长度的增加, 接头区应力明显变小, 内伸接管的补强效果较补强圈要好, 但对焊缝的要求依然很高。整体锻件补强无论是在应力分布还是最大应力强度值方面都比前几种补强方式效果好, 但制造起来比较麻烦。

摘要：开孔补强是压力容器设计中的常见结构, 开孔的结果不但会削弱容器的强度, 而且在开孔的附近会造成很高的局部应力。本文对压力容器设计中常用的补强方法进行总结, 并介绍了相关的有限元计算结果, 为其更好地应用于压力容器设计领域提供基础。

关键词：压力容器,开孔补强,有限元分析

参考文献

[1]唐玉江.中低压容器开孔扑强结构比较[J].石油化工设计, 2002, 19 (1) :45-48.

[2]王磊.压力容器开孔补强设计方法比较[J].石油化工设计, 2002, 19 (2) :17-19.

开孔补强 第6篇

1 压力容器中的开孔补强设计分析

压力容器开孔后, 在壳体位置实行开孔补强设计, 考虑到压力容器的承载面积, 开孔的边缘位置应力会明显增加, 直接削弱了强度, 在应力允许值的范围中, 落实开孔补强操作。压力容器的开孔, 具有局部性的特征, 需根据开孔的状态, 选择补强设计的方法, 针对压力容器的强度削弱, 安排开孔补强的设计方法, 根据压力容器的开孔数量、位置, 落实可用的开孔补强设计方法。

2 开孔补强设计在压力容器中的应用

2.1 整体锻件补强

整体锻件补强是补强结构形式中的一种, 促使压力容器的壳体结构, 处于应力最低的状态, 达到补强的作用。整体锻件补强比较注重客观条件的运用, 深入研究压力容器的条件, 把控壳体过渡部位的质量, 实现壳体的平滑过渡, 以免出现大应力过渡区[1]。压力容器设计中, 根据整体锻件补强的要求, 在金属作用的条件下, 削弱开孔时的强势, 保证壳体应力的平衡性。整体锻件补强具有良好的设计优势, 注重壳体压力过渡设计的严谨性, 实现平缓的过渡。整体锻件补强实现平稳的壳体过渡, 不在过渡区遗留过多的集中应力, 体现最佳的补强效果, 提高过渡焊缝的应力。整体锻件补强, 融合了压力容器的金属焊缝, 按照压力容器的焊接要求, 落实整体锻件补强, 体现了开孔补强设计中整体锻件补强的实践价值。

2.2 补强圈运用

补强圈在压力容器开孔补强设计中, 属于一类局部补强的方法, 结构操作简单, 而且制造非常方便, 具备较高的经验水平。补强圈要焊接在容器的外壁金属位置, 简化操作提高补强圈的实用水平, 压力容器采用外部焊接补强圈的方法, 能够提高压力容器的强度、耐力值等数据, 在很大程度上提高开孔补强的性能水平, 在最大限度条件下, 加强开孔抗压能力的控制力度[2]。压力容器设计对补强圈的运用, 提出了3点注意事项: (1) 控制补强圈的厚度, 按照压力容器的规格、开孔, 选择恰当的补强圈, 补强圈的厚度, 不能超出开孔处壳体壁厚的1.5倍; (2) 合理选择补强圈材料, 补强圈要具有延伸性、韧性、可塑性的特征, 要与其所在的压力容器壳体材质相符合, 在常温条件下, 补强圈材质的屈服度, 不能低于400MPa; (3) 注意环境因素的控制, 补强圈的使用, 不能处于较大的温度变化范围内, 避免补强圈发生氧化腐蚀, 若压力容器的补强圈有氧化腐蚀的可能, 则不能选用补强圈这种补强方式, 避免遗漏安全问题。

2.3 厚壁管补强运用

厚壁管补强在压力容器设计中, 要重点考虑接管的材料, 因为接管材料对压力容器的开孔补强设计有很大的影响, 所以在厚壁管补强设计中, 应根据压力容器的壳体性质, 科学的选择材料[3]。厚壁管补强不能仅仅选择高强度的接管材料, 还要注重接管的强度与压力容器壳体强度的匹配性。若厚壁管的强度过高, 会导致接管补强出现性能问题, 干预压力容器的结构稳定, 强度过低时, 需按照规范要求设计厚壁管补强, 在此基础上控制接管的补强度, 以便达到标准的补强值。厚壁管补强中, 不能涉及到过多的工艺工序, 以免影响最终的开孔补强效果。压力容器设计中对厚壁管补强的运用, 必须严格把控接管材料, 控制好接管材料的质量, 满足压力容器的性能需求, 体现厚壁管补强的实践价值。

3 压力容器中开孔补强设计的改进

压力容器开孔补强设计, 需根据应用状态实行。不同的开孔补强设计方法, 均有对应的缺陷, 如:补强圈的应力过于集中, 操作技术较为传统, 限制了金属补强的效果, 因此在低合金高强度的钢容器中, 补强圈的开孔补强设计效果最为明显。压力容器开孔补强设计改进, 要根据各项开孔补强设计的方法, 提出改进的建议, 充分发挥开孔补强的效果, 规避潜在的开孔补强误差。在压力容器开孔补强设计中, 要注重改进方法的运用, 完善开孔补强设计的过程, 杜绝影响压力容器的开孔补强效果, 维护压力容器的性能。

4 结语

开孔补强设计延长了压力容器的使用寿命, 提高了压力容器的质量水平。压力容器制造行业, 比较注重开孔补强设计的应用, 严格按照规章制度, 落实开孔补强的设计过程, 避免影响压力容器的使用性能。开孔补强设计的应用, 解决了压力容器设计中的缺陷问题, 预防压力容器在使用过程中出现安全事故, 维护压力容器的安全度。

摘要：开孔补强设计, 在压力容器的设计中起到重要的作用, 属于压力容器设计中不可缺少的部分。近几年, 我国压力容器的发展比较快, 积极落实开孔补强设计, 用于处理压力容器中的各项问题, 提高容器的强度, 避免压力容器出现质量缺陷或性能不足。本文主要探讨几种开孔补强结构型式在压力容器设计中的应用。

关键词：开孔补强设计,压力容器,整体锻件补强

参考文献

[1]郑小海.开孔补强设计在压力容器设计中的应用[J].轻工标准与质量, 2015, 03:64-66.

[2]周一飞.开孔补强设计在压力容器设计中的应用研究[J].广州化工, 2015, 14:181-182.

开孔补强 第7篇

1补强圈设计在压力容器设计中的应用

压力容器在设计的过程中,局部补强是一种较为常见的补强方式,大部分的压力容器在设计的过程中,都会应用补强圈补强方式。补强圈补强操作中利用焊接工艺,在压力容器壁上焊接补强板,借用开孔周围容器壁上的金属厚度来增强金属开孔周边容器壁的强度。由于在操作的过程中压力容器内部焊接补强板操作极为不便,因而设计人员通常在容器外部焊接补强板。与此同时,从实践操作的经验就可以知道,相较于内部焊接补强板,外部焊接补强板能够促使压力容器各项工作性能表现得更为完善,抗压能力与强度耐力进一步加强。但是,设计人员与操作人员应当特别注意,在应用补强圈技术进行补强的过程中,必须严格按照操作流程来实施各项操作,严格执行各项操作标准,防止出现安全事故。因此,笔者认为在应用补强圈于压力容器的设计中,应当注意这几方面的注意事项。

首先,补强板厚度具备严格要求。在补强设计的过程中对于补强板的厚度要求十分严格,因此设计人员在选择补强板的时候应当结合容器的不同规格、容器开孔的具体情况以及补强要求,选择最适宜的补强板。通常情况下,补强板的厚度是容器开孔厚度的1. 5倍左右[1]。通过实践的设计就可以了解到, 补强板的厚度如果没有按照这样的标准来选择,将会给焊接造成诸多的不便。如果补强板较厚,焊接的角度肯定会增加,就容易使得简介应力增强。与此同时,在补强板制造材料方面, 同样具有相当严格的要求,制造材料不仅要具备可塑性,还需要有一定的延展性,一般情况下,选择使用的补强钢板强度控制在400 MPa以内。其次,补强圈适用受到限制。在应用补强圈技术的过程中,存在一定的局限性,在化工企业长期生产的过程中,如果压力容器处于极强腐蚀性与氧化性的环境中,并且温度变化差异较大,补强圈在此条件就不应当使用。另外一种条件就是,如果压力容器受到的荷载力较大,也不应当使用补强圈。由于补强圈金属需要保持在焊接开孔峰值应力范围内才会发挥出良好的补强效果,在对低合金高强度钢容器开孔补强操作的过程中,采用补强圈局部补强就能获得理想的应用效果。而对于具有严格要求或者局部补强不适用的开孔补强,通常都会利用整体补强来提高压力容器使用的性能。从这分析就可以看出,在开孔补强技术应用的过程中,要想开孔补强设计在压力容器设计中获得良好的效果,需要从多方面多角度考虑开孔补强技术的具体应用情况与应用适宜条件,这样才能够在压力容器内更好发挥出其应有的作用。

2厚壁接管补强技术在压力容器设计中的应用

在压力容器设计的过程中,厚壁接管补强技术也属于一种较为常得见的开孔补强技术。但是该种补强方式最为重要的一点就是需要选择较为完善的、合适的厚壁接管材料。从实践中了解到,壳体材料的性质与压力容器应用的环境是决定厚壁接管材料的主要因素。通常情况下,为凸显出补强设计的效果, 厚壁接管补强设计选择的补强材料与压力容器壳体材料相同或者相似,如果补强材料的应力没有超过壳体材料,就能通过适当增加补强面积弥补应力不足的情况,但是如果补强材料的应力超过壳体材料,则会通过减小补强面积来确保应力的协调性。在实践中可以清晰地了解到,容器开孔后,边缘的局部应力会持续上升,按照局部应力分布规律,取距离开孔边缘较远的位置进行补强操作,就可以协助容器应力回归到正常的状态。在补强操作的过程中,要想充分发挥补强材料性能所具备的作用,补强材料焊接的最佳位置就是开孔附近的高应力区域,也就是人们通常所说的有效补强范围。在计算补强面积的过程中,除去有效补强范围面积都可作为补强面积。在压力容器设计的过程中,按照国家的相关标准,应用厚壁接管补强技术的时候,如果补强板的材质超过壳体接管材料,不仅影响压力容器使用的性能,还会在压力容器使用的过程中带来极为不利影响。在面对这种情况,笔者经过工作实践了解到,造成这不利影响的原因主要是接管材料强度过高,焊接工艺的要求明显提高,焊接操作程序就会变得更为严格,使得焊接过程出现各种不便或者焊接过程操作不当等现象,进而影响工作效率与工作质量,使得整个压力容器的补强效果降低[2]。因此,在接管材料选择的过程中,应当将壳体本身的材料作为参照标准, 同时,如果接管材料强度低于壳体材料的强度时,为保证补强的效果,应当适当增加接管壁的厚度,尽可能控制接管的流通面积,有效降低焊接难度,提高压力容器的补强效果。在应用厚壁接管补强的过程中,可以应用无缝接管或者锻件加工的方式,尽量减小误差的发生。如果压力设计非常小,补强要求壁厚不大的情况下,应当尽可能选择无缝钢管,而针对设计压力要求非常高的容器,补强要求壁厚较大,可以通过选择锻件加工的技术增加补强效果。由此可见,后壁接管补强技术应用于压力容器设计的过程中,同样需要考虑多种影响因素,将有可能存在的不利影响彻底消除,提高补强效果,提高压力容器的使用性能,这样就能够保证该项技术的应用效果。

3整体锻件补强设计在压力容器设计中的应用

在压力容器设计的过程中,整体锻件补强技术应用范围非常广泛。压力容器在设计的过程中采用补强设计技术的目的就是通过金属的作用,减小由于开孔产生的强度,促使壳体的盈利能够保持平衡状态。在同样的条件下,整体锻件结构会由于壳体应力平衡的缘由逐渐下滑,使得其不能应对新产生的应力。在设计的过程中面对这样的情形,整体锻件补强技术更具有优势,能够达到良好的补强效果。但是采用这样的补强设计锻件与壳体之间需要互相磨合,而这一过程较为复杂。因此为促使壳体与锻件之间能够顺利磨合,避免局部应力的产生,在制造的过程中,应当充分考虑锻件补强方法对焊接技术较高的要求,焊接难度升高,生产加工的成本也会随之上涨。在此种情况,整体锻件补强设计只要在设计精度要求较高或者压力容器使用环境非常恶劣的情况下,才会应用整体锻件补强方法。

针对接管应力范围较大,管壁较厚,而整体锻件补强与厚壁接管补强的膜应力与膜加弯没有发生变化的情况下,相应的整体锻件的补强应力的数值会比较低。在设计的过程中可以在接管的上部分远离开孔,使得厚壁接管补强应力逐渐减小,促使整体锻件弯曲强度在一定程度上能够获得提高,最终达到膜加弯应力相应的数值。符合补强设计的相关要求[3]。针对接管和封头焊接位置接管厚壁的方向上,整体锻件的补强应力相对最低。封头条在接近简体位置的地方存在应力集中,在应力集中的地方沿封头壁厚方向上,这种补强方式应力强度并无明显的差别。依据这种情况就可以了解到,厚壁接管除去接管顶端处应力强度较低,其他的地方应力强度值都比较大。针对这样的情况,可以采用内伸管的方法。接管伸位置有可能出现长短不一值得情形,其中产生的应力也不会相同。在设计的过程中会发现,内伸越长强度反而越低,如果内伸长度超过了15 mm, 接头处应力分布强度呈现出一定的规律性,并且应力的轻度会从270 MPa下降到230 MPa。并且在此过程中内伸管产生的位移表现的非常明显,从这就可以充分看出,整体锻件的内伸处达到了很好的补强效果。不同内伸管处都会有不同的应用条件,但是相应的数值都会呈现出下滑的趋势。相较于补强圈补强,内伸管的补强技术在其他方面的应用,应力值会有明显的变化,同时补强效果也非常明显。

4综合比较

笔者针对压力容器设计中如果应用开孔补强技术,补强圈所产生的应力相对比较集中,但是在应用的过程中会发现,补强圈补强技术会体现出一定的传统性,所应用的金属补强效果是有限的。在此种情况,针对低合金高强度的钢容器进行开孔补强,施行补强圈补强技术效果反而会更为明显。但是如果容器度补强技术具有非常严格的要求,整体锻件补强技术反而会提高容器的使用性能,有效发挥补强技术效果。而厚壁补强设计针对的对象主要是采用无缝或者是锻件加工,来提高容器的精度,这样就能够避免误差的产生。总之在选用开孔补强设计的过程中应针对具体问题具体分析。

5结语

在压力容器设计的过程中,开孔补强设计是对压力容器使用年限具有重要的影响。因此,在此项操作的过程中应当在按照国家标准的情况下,选择最适宜的开孔补强设计,凸显出补强效果,提高压力容器的性能。

摘要：在经济快速发展的过程中,我国各个行业发展的速度非常快,在此过程中化工行业成为我国社会主义市场中发展较为明显的一个行业。随着化工行业的快速发展,压力容器的应用范围越来越广。与此同时压力容器在某些方面支持着化工行业的发展。压力容器的设计是化工操作不可缺少的一部分,压力容器在设计的过程中有项设计较为重要,即开孔补强设计。采用开孔的过程中,由于压力容器结构发生了改变,较容易产生意外因而需要补强。本文就开孔补强设计在压力容器设计中的应用进行简单分析。

关键词：开孔补强设计,压力容器,应用

参考文献

[1]路镜远.压力容器设计问题及解决途径[J].中国石油和化工标准与质量,2013(11):78.

[2]孙新伟.金相复膜技术在锅炉压力容器检验中的应用[J].河南科技,2014(24):16.

[3]江慧丰.我国压力容器用低合金调质高强度钢板的现状与发展趋势[J].热加工工艺,2015(4):16-19.