使用SW6-2011計算壓力容器開孔補強的幾個問題

司文華

（北京福瑞匯達科貿有限公司，中國 北京100073）

0 引言

為滿足工藝或結構需要，在壓力容器設計中開孔是必不可少的。容器開孔接管后會引起開孔或接管部位的應力集中，再加上接管上會有各種外載荷所產生的應力及熱應力，以及容器材料和制造缺陷等各種因素的綜合作用，使得開孔和接管附近就成為壓力容器的薄弱部位。雖然標準和規范對設計和計算都作了較為詳細的規定，但在使用SW6-2011 過程設備強度計算軟件計算開孔補強時需要注意對標準規范中有關定義的理解和把握，靈活運用軟件，必要時對有關數據進行調整，才能得到正確的結論，保證設備的安全可靠性。

1 補強方法及適用范圍

1.1 計算時應注意的問題

在使用SW6-2011 計算開孔補強之前要先判斷接管的直徑和壁厚是否滿足GB150.3-2011 中6.1.3 不另行補強的最大開孔直徑[1]的要求，滿足要求的可以不進行計算，沒有進行判斷直接輸入數據的，生成計算書會顯示滿足不另行補強的最大開孔直徑的要求，不予進行計算。還需要注意的是單個孔開孔補強計算合格，然而該孔的有效補強區B=2d 范圍內還有其他開孔，形成孔橋的，則應按孔橋處理。在計算兩相鄰開孔中心的間距或者任意兩孔中心的間距時對曲面間距應按弧長計算，按照弦長或中心線垂直距離計算是不正確的。

1.2 補強計算方法及適用范圍的理解

SW6-2011 補強計算方法給出四種：等面積補強法、另一補強方法、分析方法和壓力面積法。

計算軟件中的等面積補強法是指單個開孔的等面積法，聯合補強法是指多個開孔的等面積法。等面積法是開孔補強計算方法中最廣泛應用的計算方法，該法是以補償開孔局部截面的一次拉伸強度作為補強準則的，是以無限大平板上開有小圓孔時孔邊的應力集中作為理論基礎的，即僅考慮容器殼體中存在的拉伸薄膜應力，對開孔邊緣的二次應力的安定性問題是通過限制開孔形狀，長短徑之比和開孔范圍（開孔率）間接考慮的[2]，使用該法應考慮開孔是否滿足GB150.3-2011中6.1.1 的規定。對于承受靜載的壓力容器開孔，長期實踐證明該法在允許使用范圍內，其補強結果是比較安全可靠的。分析法是根據彈性薄殼理論得到的應力分析法用于內壓作用下具有徑向接管圓筒的開孔補強設計，其開孔率可達0.9。壓力面積法為HG20582-2011 大開孔的補強計算[3]中介紹的補強方法，其開孔率可達0.8。分析法和壓力面積法都是適用于大開孔徑向接管補強計算的，不能計算斜接管。大開孔即超出等面積補強法適用范圍的開孔。而且分析法只能用在筒體上的開孔，封頭上的大開孔應用壓力面積法計算，但在我國壓力面積法尚不能作為合法的設計依據，該方法只能參考使用。壓力面積法和等面積法一樣，都不適用于有疲勞強度要求的開孔補強計算。另一補強方法則為基于塑性失效準則的極限分析法，對受內壓單個開孔的密集補強采用[4]，這種設計方法限制條件：接管橫截面必須為圓形，其中性軸垂直于殼體、接管和補強件應采用整體結構，過渡部分應打磨成圓角[5]。

使用SW6-2011 軟件進行單個開孔補強計算輸入數據后，軟件根據輸入條件自動選擇適合的計算方法，如不符合單孔補強條件形成孔橋的，則必須選擇聯合補強法，并輸入相關數據才能得到正確的計算結果。

2 封頭最小厚度對開孔補強計算的影響

2.1 封頭最小厚度的確定

沖壓封頭的最小厚度必須滿足強度設計的要求，是壓力容器安全使用的前提條件。GB/T25198-2010《壓力容器封頭》中6.3.13 規定：根據制造工藝確定封頭的投料厚度，以確保封頭的成品最小厚度不小于設計要求的最小成型厚度[6]。設計要求的最小成型厚度一般要大于等于設計壓力下的設計厚度即計算厚度加上腐蝕余量。還應考慮由于下料厚度大于名義厚度后有可能造成許用應力下降，如遇此種情況應把設計規定的成型后封頭最小厚度乘以最小厚度的許用應力與落料厚度許用應力的比值。還有些設備需要標注最高允許工作壓力的，比如需安裝安全泄放裝置且需進行氣密性試驗的容器，為使安全泄放裝置的整定壓力高于氣密性試驗壓力，應確定設備的最高允許工作壓力。由于固定式壓力容器安全技術監察規程4.8 規定：對于介質毒性程度為極度、高度危害或者設計上不允許有微量泄露的壓力容器，應該進行泄漏實驗，泄露試驗根據試驗介質種類的不同，分為氣密性實驗以及氨檢漏試驗、鹵素檢漏試驗和氦檢漏試驗等。其中氣密性試驗壓力為壓力容器的設計壓力。進行氣密性試驗時，一般應當將安全附件裝配齊全。又根據固定式壓力容器安全技術監察規程3.9.2 規定：超壓泄放裝置的動作壓力（1）裝有超壓泄放裝置的壓力容器，超壓泄放裝置的動作壓力不得高于壓力容器的設計壓力（2）對于設計圖樣中注明最高允許工作壓力的壓力容器，允許超壓泄放裝置的動作壓力不高于該容器的最高允許工作壓力[7]。為使超壓泄放裝置在做氣密性試驗的時候不起跳，又能滿足規定，需要在圖紙上注明最高允許工作壓力，最高允許工作壓力應綜合考慮包括筒體、封頭、法蘭和接管等在內的所有受壓部件所允許承受的最大表壓力。這時取氣密性試驗壓力等于設計壓力，超壓泄放裝置的動作壓力高于該容器的設計壓力，低于最高允許工作壓力。此時封頭的最小成型厚度要大于等于最高許用工作壓力下的設計厚度。

2.2 開孔補強計算時封頭有效厚度的確定

按照GB150.3-2011 等面積補強法進行開孔補強計算時，需計算殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積A1如圖1 所示，其值按式（1）計算。

圖1 補強面積A1

式中：B 為補強有效寬度；dop為開孔直徑；δe為殼體開孔處的有效厚度；δ 為殼體開孔處的計算厚度；δet為接管有效厚度；fr為強度削弱系數。

因1- fr的值很小，一般情況下A1的值隨δe的值增大而增大。有效厚度一般按式（2）計算：

式中：δn為名義厚度；c1為鋼板負偏差；c2為腐蝕余量。

由于封頭給出最小厚度δmin時，封頭的實際厚度可能小于名義厚度，此時進行開孔補強計算時，封頭開孔處的有效厚度應取δe＝δmin－c2。

采用SW6-2011 軟件進行開孔補強計算時，封頭的有效厚度不是直接輸入的，而是程序根據輸入數據計算生成的，為得到合理的計算結果，通常用兩種方法對輸入數據進行調整。

（1）對腐蝕裕量的值進行調整為c2，＝(δn－c1－δmin)+c2；

（2）把封頭的最小厚度填到殼體名義厚度的地方，并且指定壁厚負偏差為零進行計算。

3 開孔補強接管有效外伸長度及橢圓開孔直徑的確定

3.1 開孔補強接管有效外伸長度

舊標準GB150-1998《鋼制壓力容器》標準里沒有明確的給出開孔補強的計算截面的選取。在實際設計中有些設計者往往分不清接管實際外伸長度具體指的是筒體軸向截面的外伸高度還是筒體徑向截面的外伸高度，而且非徑向接管的外伸端面并非平行于筒體表面，因此在徑向和軸向截面上接管兩側的伸出長度也不一定相等。在這種情況下，簡單的選取最短邊就有可能造成裕量過大和材料浪費。新標準GB150.3-2011 中規定了： 所需最小補強面積應在下列規定的截面上求取，對于圓筒或錐殼開孔，該截面通過開孔中心點與筒體軸線，對于凸形封頭和球殼開孔，該截面通過開孔中心點沿開孔最大尺寸方向且垂直于殼體表面。這一規定明確了開孔補強計算的取值截面，給設計者帶來很大的方便，其理論依據是因為內壓圓筒的計算厚度公式是根據一次總體環向薄膜應力所導出的，環向應力是軸向應力的兩倍，是筒體中最大的一次薄膜應力，并且為縱向截面所承載。因此，開孔削薄的計算面積也應是軸向截面,相應的接管外伸有效高度也應是在軸向截面上接管的外伸高度。

3.2 橢圓開孔直徑的確定

SW6-2011 計算橢圓開孔補強時，輸入開孔直徑的通常處理辦法為： 位于封頭上的橢圓人孔在確定開孔直徑時應按長軸尺寸確定；位于筒體上時，按平行設備軸線方向的開孔尺寸確定。例如，橢圓開孔的短軸平行于設備的軸線，那么開孔尺寸按短軸尺寸計算。這主要取決于設備的應力分布，筒體的軸向應力是其環向應力值得一半。

4 結論

SW6-2011 計算軟件在壓力容器設計中的應用，提高了設計效率，給設計人員帶來了很大的方便，但對設計人員的素質也提出了較高的要求。有的設計人員由于缺乏正確理解常用標準規范和軟件計算的理論基礎，導致數據輸入有誤，又忽略計算過程，得出錯誤的結論，產生安全隱患。開孔補強計算是壓力容器強度計算的重要部分，需要設計人員充分考慮設計參數、標準要求、計算方法及特殊情況對數據的調整，重視設計過程中的某些細節問題，計算時嚴格校審選用的模塊、輸入的數據、輸出的結果，詳細檢查計算書的每一個數據是否正確，確保其符合設計標準規范的規定，保證設備的安全可靠性。

［1］GB150.1～150.4-2011,壓力容器[S].

［2］全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會編.壓力容器設計工程師培訓教程[M].北京：新華出版社,2005,10：208.

［3］HG20582-2011 鋼制化工容器強度計算規定[S].

［4］秦叔經.SW6-2011 在工程設計中的應用[R].全國化工設備設計技術中心站.

［5］[美]法爾（Farr,J.R.）賈瓦德（Jawad,M.H）,鄭津洋,等譯.ASME 壓力容器設計指南.2 版[M].北京：化學工業出版社.2003.3：107.

［6］GB/T25198-2010 壓力容器封頭[S].

［7］TSG R0004-2009 固定式壓力容器安全技術監察規程[S].