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开孔与开孔补强



开孔的目的

雷特石化精馏塔  为满足工艺操作、容器制造、安装、检验及维修等要求,压力容器上开孔是不可避免的。


开孔补强的原因

容器开孔之后,不仅整体强度受到削弱,而旦还因开孔造成原壳(板〉和接管连接区域的几何不连续,在相贯区域会产生很高的应力集中。因此必须合理充分的考虑开孔的补强问题。

GB 150开孔补强话用范国

(1) GB 150. 3 2011 给出了压力容器的壳体及平盖的开孔补强的常规设计补强方法。所考虑的开孔部件有:圆筒壳、球壳〈包括碟形封头上的球面部分〉、锥壳、椭圆形封头及平盖。分别按单孔和多孔情况给出内压和外压工况下具体的算法。


(2) GB 150.3 规定开孔的形状应为:圆孔、椭圆孔和长圆孔。为避免孔的形状引起过高的应力集中,对于椭圆孔〈或类似形状)、长圆孔,长短轴之比应不大于2。


(3) 容器开孔之后,强度必然受到削弱,但由于容器厚度在设计中可能存在一定的裕量,因此可利用其强度裕量,允许不另行补强,判别条件见GB 150.3 之6. 1. 3 条,该条表6 -1 中对接管壁厚是基于lmm 腐蚀裕囊考虑的,如果超出lmm ,可增加接管名义厚度,使之适应表6 -1 中的接管壁厚值?详见例1 。但开孔超出6. 1. 3 规定时苦则必须通过计算来判断是否需要予以补强。

(4) 容器补强可以有以下结构::

a) 补强圈补强;

b) 整体补强。

补强圈结构由于与被补强壳体间存在较大的不连续,因此?对其适用条件进行了限制,详见GB 150.3 之6. 3. 2. 1 条。若条件许可,推荐以厚壁管代替补强圈进行补强。


(5) 对于内压作用下具有径向接管圆筒的开孔补强设计, GB 150.3 中6.6 节给出了适用于开孔率ρ≤0.9 的分析法,该方法是基于弹性薄壳理论的内压作用下圆柱壳大开孔简捷而有效的补强设计计算方法,与ASME 膜一弯法不同,分析法很好的体现危险截面的应力集中情况,是我国压力容器界重要的研究成果。此方法的出现有效解决了工程上日益增多的大开孔的计算问题。


(6) GB 150 2011 对开孔补强提供的等面积法补强计算适合开孔率ρ0.5。

等面积补强

(1) 等面积法是以受拉仰的无限大平板开小孔为理论基础的。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平均应力作为补强准则。当开孔率较小时,开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的?因此较符合上述假设。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,故对等面积法须限制适用条件。各种壳体上所允许开孔的最大直径见GB 150.3 之6. 1. 1 条的规定。


(2) 等面积法顾名思义是: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, 应有补强材料予以补偿。对补强材料与壳体材料不同的情况?当补强材料的许用应力小子壳体材料时,应按壳体材料与补强材料许用应力之比增加补强面积;反之,所需补强面积也不得减少。


等面积法是压力容器开孔补强计算中应用最为广泛且较简便的方法,至今已有大量的工程应用,这是其优势所在。


(3) 壳体开孔以后苦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,在离开孔边缘较远处其应力便恢复到正常水平。为有效发挥补强材料的强度赞补强材料应设置在开孔附近的高应力区域,即有效补强范围内。


等面积法有效补强范围分布在开孔壳体和接管两部分上::

a) 开孔壳体上的有效补强范围:主要是以受拉伸开孔大平板的孔边应力的衰减情况进行考虑的,即补强范围取为2 倍开孔直径。


b) 接管上的有效补强范围:是以端部受均布载荷的圆柱壳,壳中环向局部薄膜应力的衰减情况进行考虑的,即补强范围取(d一开孔直径 δnt一接管名义厚度〉。


(4) 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。


a) 内压容器壳体因开孔削弱须补强的面积,按GB 150. 3 之6.3.3.2 条规定,平盖因开孔削弱须补强的面积,按GB 150 之6.3.4 条规定。


b) 以上计算是以容器单个开孔,即开孔不受邻近开孔的影响为基础的。当邻近开孔间距超出GB 150.3 中6. 3. 1 条规定时,开孔补强计算要求见GB 150.3 之6.4 条。


c) 对超过GB 150.3 适用范围的开孔,可采用应力分析法、实验验证法以及对比经验方法进行设计。


(5) 等面积开孔补强设计的一般步骤见下图。分析法的计算步骤按GB 150.3 之6.6 节。

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