第6章化工设备主要零部件(2)化工设备ppt课件.ppt

1,问题的提出 由于工艺或结构需要，常常需要在设备或容器上开孔并安装接管，例如人孔、手孔、装卸料口和介质的出入口等。在壳体和接管的连接处，因结构的连续性遭到破坏，在孔周边还会产生很高的应力集中现象，对容器的安全操作带来隐患，因此需要考虑容器的开孔与补强问题。一、开孔附近的应力集中1、应力集中的概念 容器开孔后，在开孔处会产生较大的附加应力，结果使该区域的局部应力达到较高的数值，甚至可以达到容器器壁薄膜应力的3倍或更大，这种局部应力急聚增长的现象称为应力集中。2、应力集中现象分析,6.2 开孔与补强,2,问题的提出2、应力集中现象分析 如图6-8所示为一单向受拉的矩形薄板（分析孔周边应力）。为了表示应力集中的程度，引入了应力集中系数K的概念，K等于开孔边缘处的最大应力与不开孔的横截面上的应力之比值，即 K=max/3、孔周围应力集中现象的特点开孔附近的应力集中具有局限性，其作用范围极为有限；开孔孔径的相对尺寸d/D越大，应力集中系数越大，所以开孔不宜过大；被开孔壳体的/D越小，应力集中系数越大；将开孔四周壳体厚度增大，则可 以明显地降低应力集中系数；增大接管壁厚也可以降低应力集中系数，因此可以用增厚的接管来缓解应力集中程度；另：在球壳上开孔，应力集中程度较圆筒上开孔低，因此，在椭球封头上开孔优于在筒体上开孔。,6.2 开孔与补强,3,二、对压力容器开孔的限制1、开孔限制：为降低开孔附近的应力集中，须采取适当的补强措施。根据国家标准GB150-1998钢制压力容器规定，按等面积补强准则进行补强时，开孔尺寸会有一定的限制，如表6-12所示。若开孔直径超出表6-12中的范围，应按特殊开孔处理。2、可不另行补强：如果壳体开孔同时满足下列三个条件时，可以不另行补强。设计压力不大于2.5MPa；相邻开孔中心的间距（曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的倍；接管公称外径小于或等于89mm；不补强接管的外径及其最小壁厚符合表6-13的规定。,6.2 开孔与补强,4,三、补强结构 常采用补强圈补强、接管补强和整体锻件补强来降低开孔附近的应力集中，其结构如图6-9所示。1、补强圈补强：是在开孔周围焊上一块圆环状金属来补强的一种方法，也称贴板补强，焊在设备壳体上的圆环状的金属称为补强圈。补强圈可以是一对夹壁焊在器壁开孔周围，由于施焊条件的限制，也可以采用把补强圈放在容器外部进行单面补强。2、补强管补强：补强管补强也称接管补强。即利用在补强有效区内的接管管壁多余金属截面积，补足被挖去的壳壁承受应力所必须的金属截面积，如图6-9（d）（e）（f）所示。3、整体锻件补强：整体锻件补强是在开孔处焊上一个特制的整体锻件，结构如图6-9（g）、(h)、(i)所示。它相当于把补强圈金属与开孔周围的壳体金属熔合在一起。,6.2 开孔与补强,5,三、补强结构4、等面积补强 开孔补强通常按等面积补强和极限分析补强准则来进行计算。等面积补强计算的原则，就是在有效补强范围内的补强金属截面积要大于或等于开孔中心在壳体纵截面内因开孔而被削弱的金属面积。使得开孔边缘的平均应力不得超过未开孔时的基本应力，从而保证容器的整体强度。等面积补强在GB150-1998中有详细规定。四、标准补强圈及其选用 为了使补强设计和制造更为方便，我国对常用的补强圈及补强管制定了相应的标准，即HG215061992和GHJ5271990。其中标准补强圈补强就是按照等面积补强准则计算而得出其直径和厚度。,6.2 开孔与补强,6,四、标准补强圈及其选用1、标准补强圈结构 为了使补强设计和制造更为方便，我国对常用的补强圈及补强管制定了相应的标准，即HG215061992和GHJ5271990。其中标准补强圈补强就是按照等面积补强准则计算而得出其直径和厚度。补强圈结构如图6-11所示。根据内侧焊接坡口的不同，补强圈分为A、B、C、D、E、F六种结构型式，它们各有不同的适用范围。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、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nt=n/2；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 ntn/2（当n16时）或nt8（当n 16时）；以下略。（注意）,6.2 开孔与补强,7,四、标准补强圈及其选用1、标准补强圈结构2、补强圈尺寸 补强圈的尺寸可直接从标准中查取，表6-14即为常用的补强圈尺寸。标准补强圈的尺寸选定后，还应写出其标记，标记示例如下：补强圈标记：dNC HG215061992 dN接管公称直径，mm；C补强圈厚度，mm。,6.2 开孔与补强,8,开孔与补强结构应用,9,图6-8 单向受拉平板孔边缘处的应力集中,设：薄板的尺寸很大，在板中央开设有半径为R的小孔，当在板的两个侧面作用有均匀拉力q时，板的各 横截面内将产生拉应力。如果横截面远离小孔（如a-a截面），该截面上各点的应力将是均匀分布 且=q；如果横截面穿过小孔（如b-b截面），孔边的应力就会急剧增长，大约为3。但离开小孔边 缘后，应力又会迅速衰减，各点的应力又趋于均匀分布且=q，如图6-8（b）所示。,10,表-12压力容器开孔尺寸的限制,注：Di-壳体内直径，d-考虑腐蚀后的开孔直径。,11,图6-9 开孔补强常见结构（1）,补强圈补强结构简单、价格低廉、使用经验成熟，广泛用于中、低压容器上。但它与补强管补强和整体锻件补强相比存在以下缺点：（1）补强圈所提供的补强金属过于分散，补强效率不高；（2）补强圈与壳体之间存在一层空气，传热效果差，在壳体与补强圈之间容易引起热应力；（3）补强圈与壳体焊接时，焊件刚性大，焊缝在冷却时易形成裂纹，尤其是高强度钢，对焊接裂纹比较敏感，更易开裂；（4）由于补强圈没有和壳体或接管金属真正熔合成一个整体，因而抗疲劳性能差。由于存在上述缺点，采用补强圈补强的压力容器必须同时满足以下条件：（1）壳体材料的标准抗拉强度不超过540MPa，以免出现焊接裂纹；（2）补强圈的厚度不超过被补强壳体的名义壁厚的1.5倍；（3）被补强壳体的名义壁厚不大于38mm。此外，在高温、高压或载荷反复波动的压力容器上，最好不要采用补强圈补强。,12,图6-9 开孔补强常见结构（2）,特点：1、由于用来补强的金属全部集中在最大应力区域，因而能比较有效地降低开孔周围的应力集中。图（f）所示的结构比（d）、（e）效果更好，但内伸长度要适当，如过长，补强效果反而会降低；2、补强管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验，效果好，已广泛使用于各种化工设备，特别是高强度低合金钢制造的化工设备一般都采用此结构补强。,13,图6-9 开孔补强常见结构（3）,特点：1、补强金属是全部集中在应力最大的部位，而且它与被开孔的壳体之间采用的都是对接接头，受力状态较好，因此整体锻件补强的补强效果最好。同时能使焊缝及热影响区远离最大应力点的位置，故抗疲劳性能好。若采用密集补强的形式，并加大过渡圆角半径，则补强效果更好。2、整体锻件补强的缺点是机械加工量大，锻件来源较补强接管困难，因此多用在有较高要求的压力容器和设备上。,14,图6-9 开孔补强常见结构（4）,特点：（1）计算筒体或球壳上开孔后被削弱的金属截面积A；（2）确定有效补强范围，矩形区域WXYZ即是有效补强范围；（3）计算有效补强范围内可以用来补强的金属截面积Ae；Ae=A1+A2+A3A，则开孔后不需另行补强，如果 Ae=A1+A2+A3A，则开孔后需要另加补强，所增加的补强金属截面积A4应满足A4A-Ae,15,图6-11 标准补强圈结构,16,图6-11 标准补强圈结构,注意：1、补强圈焊接后，补强圈和器壁要求很好贴合，使其与器壁一起受力，否则起不到补强作用。2、为检验焊缝的紧密性，在补强圈上，设置有一个M10的螺纹孔，如图6-11所示。当补强圈焊接后，可以由此通入0.40.5MPa的压缩空气，并通过在补强圈焊缝周围涂上肥皂液方法检查焊接质量。,17,表6-14 补强圈寸尺寸系列(摘自HG215061992),