開孔補強方法在壓力容器設計中存在問題分析

劉文娟

（陜西陜化化工集團有限公司機械修造分公司，陜西 渭南 714100）

1 概述

由于工藝流程的需要，在壓力容器的殼體和封頭上往往需要進行開孔。開孔的結果不僅使容器的強度降低，而且在開孔周邊引起的應力集中也會對容器帶來危害。目前，在壓力容器設計領域常用的開孔補強方法是基于彈性失效設計準則的等面積設計法和基于塑性失效準則為基礎的極限分析法。

殼體和封頭上的開孔應為圓形、橢圓形。對非圓形開孔長短徑之比不大于2。殼體的開孔補強可采用補強圈補強和整體補強兩種結構形式。采用補強圈補強時，應遵循三項規定，即殼體和補強圈鋼材的標準抗拉強度下限值δ≤540MPa；補強圈厚度小于或等于1.5倍的殼體名義厚度；殼體名義厚度小于等于38mm。整體補強是指采取增加殼體厚度，或用全焊透的結構形式將厚壁管或整體補強鍛件與殼體相焊的補強形式。

2 孔補強方法應用概況

殼體開孔邊緣的應力可以分為三種，即局部薄膜應力、彎曲應力以及峰值應力。由于這三種應力的性質不同，因此補強的準則也不盡相同。對于薄膜應力補強的準則是保障開孔局部截面的靜力強度或防止失穩；對于彎曲應力，由于它是因孔邊協調產生屬二次應力，則補強的準則從安定性方面加以考慮；孔邊的峰值應力與破壞與疲勞相關聯。

唐玉江從理論分析的角度對補強圈、厚壁管和整體鍛件三種補強方法進行了比較，王磊介紹了以在殼體有效補強區域中的壓力載荷與殼體的承載能力相平衡為基礎的壓力面積法。于斐介紹了上述三種方法的區別。對于開孔處的應力分析，王相意、張永田、王忠臣和王磊都提出可根據應力分類準則，將開孔與接管處的應力分為：在開孔邊緣處的一次局部薄膜應力，為滿足外部約束條件或結構自身變形連續要求所需的二次彎曲應力以及由局部結構不連續或局部熱應力影響而引起的附加于一次加二次應力的峰值應力。

3 種補強方法有限元模型的建立

3.1 容器結構

內徑為1000mm的圓柱形容器，采用標準橢圓封頭，在封頭中心設置Φ325的內齊平接管。設計壓力p=9MPa，設計溫度為150℃，接管的外伸高度為200mm，筒體與封頭的材料均為16MnR，接管的材料為20#鋼，采用全熔透焊縫。其中，在150℃下，16MnR的許用應力為163MPa，20#鋼的許用應力為132MPa。腐蝕裕量取2mm，鋼板厚度負偏差忽略不計。

3.2 模型尺寸的確定

根據GBl50-1998的計算方法，取封頭與筒體的名義厚度為36mm，接管的名義厚度為15mm。筒體向下截取300mm，所需的補強面積為6651m2，根據補強圈標準JB／T4736-95，選用外徑為550mm的補強圈，補強圈的厚度為32mm。根據厚壁管的標準，選用補強管的內徑為293mm，補強段外徑為377mm，整體鍛件補強設有專門的標準進行設計，封頭補強段的厚度取56mm。

3.3 有限元模型的建立

在建立有限元模型時，采用軸對稱模型，單元采用PLANFA2號單元，在筒體的下端加Y向的約束，在模型的內表面加9MPa的內壓，在接管的頂端加向上的等效壓力。在補強罔樸強中，將焊縫與封頭建為一體。而補強罔與封頭之間則存在間隙。為了能進行比較，在本文分析的各種補強形式中，金屬補強面積保持相同。

4 結果分析

4.1 封頭與接管處的應力分布

從為補強圈補強，厚壁接管補強和整體鍛件補強結構在內壓作用下的應力強度分布云圖，可以看到在補強圈補強中，最大應力強度點出現在補強圈與封頭的焊縫位置，在厚壁管補強中，最大應力強度出現在厚壁管與封頭的焊縫位置，而在整體鍛件補強中，最大應力強度出現在封頭與加厚部分的過渡區。最大應力強度分別為 259MPa，277MPa和209MPa。在應力強度分布方面，補強圈補強在接管與封頭的連接處有明顯的應力集中，在厚壁接管中也在此處存在應力集中，而在整體鍛件補強中，應力分布比較均勻。從補強的效果上來看，補強圈補強和厚壁管補強中只有一小部分補強材料真正起到了補強的作用，大部分的材料為低應力區的材料利用率較低。而在整體鍛件補強中，大部分材料都起到了補強的作用。

4.2 路徑分析

在接管內壁應力最大點處沿管壁厚度方向上，整體鍛件補強和厚壁接管補強的膜應力強度和膜加彎應力強度相差不大，整體鍛件補強中應力強度值比較低。而在接管上端遠離開孔區，厚壁接管補強的應力強度值最小，整體鍛件補強的彎曲應力強度比較大，從而導致其膜加彎應力最大。在接管與封頭焊接處接管壁厚方向上，整體鍛件補強應力強度值最小，補強圈補強次之。

封頭靠近筒體的位置存在一處應力集中，在應力集中點沿封頭壁厚方向上，置種補強方式下應力強度值相差不大。在最大應力點處沿封頭厚度方向上，整體鍛件補強的膜加彎應力強度最小，補強圈次之，厚壁管最大，

從上面的分析可以看出，厚壁接管除了在接管頂端處應力強度最小外，各個路徑上的應力強度值都比較大，為了改善這種狀況，可以采用內伸管的方式。接管內伸的長度不同時，其應力強度值也是不一樣的，隨著內伸長度的增加，接頭區的應力強度值明顯減小，取內伸長度為12mm，此時，接頭區的應力強度分布云圖可以看到，最大應力強度由齊平管時的277MPa減小到242MPa。接管內壁的最大應力點明顯內移，說明內伸段起到了補強的作用。接管內伸之后，各條路徑上的應力強度值比內齊平條件下都有明顯的降低。與補強圈補強相比，除了在最大應力點處沿封頭厚度方向上膜加彎應力強度略大之外．內伸接管樸強在各路徑上應力值均比較小，補強效果更明顯。

結論

本文對常用的壓力容器開7L補強方法進行了分析，介紹了三種補強方法有限元比較分析，可以看出補強圈補強效果不是很理想，會產生較大的應力集中，而且按標準設計的補強圈趨于保守，有很大一部分補強金屬載荷值較小，最大值出現在焊縫區，對焊縫要求較高。齊平補強管的補強效果也不理想，存在較大的應力集中，也有很大一部分補強金屬承載較低，同時對焊縫的要求很高。當采用內伸接管時，隨著內伸長度的增加，接頭區應力明顯變小，內伸接管的補強效果較補強圈要好，但對焊縫的要求依然很高。整體鍛件補強無論是在應力分布還是最大應力強度值方面都比前幾種補強方式效果好，但制造起來比較麻煩。

[1]唐玉江.中低壓容器開孔撲強結構比較[J].石油化工設計，2002，19(1)：45-48.

[2]王磊.壓力容器開孔補強設計方法比較[J].石油化工設計，2002，19(2)：17-19.

[3]于斐.壓力容器開孔補強及處理方法[J].管道技術與設計，2001(6)：14-16.