壳体开孔以后,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,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。
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。在应用等面积补强中,需注意到以下两点:(1)必须限制开孔直径与壳体直径d/D之比。
在GB150-89中规定圆筒形壳体上d/D≤1/3;球形壳体上d/D≤1/2。这是由于等面积法的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的以大平板问题考虑,不致引起很大的误差,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曲力矩等,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应。
(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,是仅就开孔截面的平均应力―整个截面的一次应力强度进行考虑的,对开孔局部高应力部位的安定问题未予校核。尤其是圆筒形壳体上开纵向长圆形(椭圆)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,极易发生不安定的问题,而这在等面积补强计算方法中是未能体现的,所以等面积补强方法通常仅适用于长短轴之比≤2的开孔情况,对于长短轴之比>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。
开孔补强的设计计算在开孔补强的具体设计中,除应考虑选择补强方法、结构及形式外,还应计算A1+A2+A3≥A式中,A―壳体因开孔削弱需补强的面积;A1―壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积;A2―接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积;A3―在补强区内焊缝金属的截面积。以此判定开孔是否需补强,同时开孔尺寸及补强材料性能等还要满足相应标准中所规定的要求。
结语开孔补强设计是压力容器设计中非常重要的组成部分,是保证容器安全操作的重要因素,因此我们要更加仔细认真的对待,做到设计准确、制造安全、使用可靠。