孔的加强计算

16.3.6　孔的加强计算

由于单孔周围的局部应力与相邻孔的应力互不重叠，仅分布在孔边很小的局部范围内，因此只要在孔周围配置一些与筒体连接可靠的金属材料即可降低孔周围的应力，这就是孔的加强。

1.加强结构

图16.17　加强结构（水管锅炉）

对单孔进行加强时首先必须采用加强结构，即要保证加强材料与筒体的可靠连接。图16.17给出了可用于水管锅炉的加强结构，其中（a）和（b）的结构型式只适用于额定压力不大于2.45MPa的锅炉。图16.18是锅壳锅炉强度计算标准给出的加强结构，从中可以看出，一些在水管锅炉中不能作为加强结构的型式，在锅壳锅炉中却可以作为加强结构。当单孔需要加强时，就必须选用其中的一种结构形式，而不需要加强时则可以采用其他较为简单的非加强结构形式。

图16.18　加强结构（锅壳锅炉）

2.未加强孔的最大允许直径^［d］

在锅炉范围内能够对单孔起加强作用的材料共有4项：管接头连接焊缝、管接头富余壁厚、金属垫板和筒体富余壁厚。由于筒体的壁厚是按孔桥（包括焊缝）强度确定的，因而对于孔桥以外的区域而言就存在一定的富余壁厚，这部分富余壁厚“天然地”放置在单孔周围，已经自动对单孔起到了有效的加强作用，降低了孔边应力，从而使直径较小的孔可以不必采用其它加强措施就能满足强度条件，这样的孔称为未加强孔。

未加强孔的最大允许直径^［d］取决于壁厚的“富余”程度系数K和筒体直径与有效壁厚的乘积D_nS_y。K的定义为

式中：S₀为未减弱筒体（单孔区域筒体）的理论壁厚。K与D_nS_y确定后就可以从强度计算标准提供的曲线中查出所计算筒体的未加强孔最大允许直径^［d］，也可以用下面的曲线拟合式计算

在求^［d］时需要注意，当D_nS_y＞130×10³mm²时，取D_nS_y＝130×10³mm²，当查（或计算）出的^［d］＞200mm时，取^［d］＝200mm。另外该方法不适于K＜0.4的情况。

3.单孔加强方法

图16.19　加强计算的基准截面

筒体上凡直径超过未加强孔最大允许直径^［d］的孔都必须采用加强结构予以加强，并且还必须满足一定的加强条件。单孔加强的实质在于增加该孔周围的应力承载截面积，以补充由于开孔而失去的截面积。由于筒体上的两向应力不对称，环向应力高于轴向应力，因此加强计算的基准截面就取筒体的纵向剖面，见图16.19，只要该截面的加强条件满足了其它截面也就自然满足了。

加强材料的有效范围与孔边附加应力的显著作用范围是一致的。如图16.19所示，矩形ABCD为有效加强材料的边界，纵向有效宽度b＝2d_n，即从孔边算起各一个孔半径。横向的有效高度h按以下方法确定

当S₁/d_n≤0.19时，h＝2.5S和2.5S₁中的小者

式中：S₁为管接头的壁厚，d_n为管接头的内径，S为筒体的壁厚。

上述4项加强材料在有效范围内的加强面积必须同时满足以下两个条件，即加强条件

（1）加强材料的总面积应大于开孔失去的面积，即

（2）加强材料在距孔边d_n/4范围内的加强面积应大于所需加强面积的2/3。式中：F为因开孔失去的而需要加强的面积，F＝d_nS₀，mm²，当加强材料的许用应力低于筒体的许用应力时，应对F进行修正；

F₁：有效范围内焊缝的加强面积，计算式与加强结构有关，mm²；

F₂：有效范围内管接头富余壁厚的加强面积，计算式与加强结构有关，mm²；

F₃：有效范围内垫板的加强面积，计算式与加强结构有关，mm²；

F₄：有效范围内筒体富余壁厚的加强面积，F₄＝d_n（S_y－S₀），mm²。

表16.7列出了常见加强结构的加强计算公式，其中^［σ］为筒体的许用应力，^［σ］₁为管接头的许用应力，^［σ］₂为垫板的许用应力。当^［σ］₁、^［σ］₂大于^［σ］时应按等于^［σ］计算，此时计算式将大为简化。在计算焊缝的加强面积时，仅计算暴露于筒体外壁之外和内壁之内的部分，并将其截面简化成等腰直角三角形，其中e为焊缝的焊脚高度。

根据上述加强条件和式（16.56），当K足够小时，仅筒体富余壁厚的加强面积F₄一项就可能同时满足上述两个加强条件。可以证明，当K＜0.4时，F₄可以同时满足两个加强条件，也就是说，当K＜0.4时筒体上所有的孔都是未加强孔。

以上单孔加强方法称为等截面法（或等承载能力法），当两个加强条件满足时常俗称已将所计算的单孔“填满”了。该方法虽在工程中得到广泛的应用，但仍属于一种经验方法，故有一定的适用范围，其主要适用条件为，最大开孔直径不能超过600mm，孔径与筒体内径的比值d_n/D_n＜0.8。当不满足该适用条件时，就应采用其它计算方法。

表16.7　常见加强结构的加强计算