壓力容器卷筒大開孔補強計算方法

摘要：壓力容器是能夠承載一定壓力的氣體或液體容器，大開孔的壓力容器為保證其抗壓能力，需在開孔接管位置進行補強。本文主要對壓力容器大開孔補強的相關計算方法進行了分析，并對其進行比較，以找出最適合的補強方法。

關鍵詞：壓力容器；大開孔補強；計算方法

隨著工程技術的發展，對壓力容器的要求也越來越高，壓力容器常需要進行大的開孔接管工序，而在壓力容器上進行開孔操作就會破壞原來的應力狀態，使壓力容器內的力平衡遭到破壞，因而為了恢復容器內應力平衡狀態，需要對容器開孔位置進行補強，而對于補強的計算主要有以下幾種方法。

1.壓力面積法

壓力面積法是通過使圓筒、補強原件和接管有效截面產生的承載力與有效補強范圍內產生的載荷相等來實現補強的一種計算方法，這種方法在計算時主要考慮補強材料薄膜應力即可，并沒有涉及到容器開孔孔邊彎曲強度問題，這一方法的計算方式雖然和以往等面積方法有所不同，但原理是一樣的。其計算通式是（Ap/Aσ+1/2）p≤[σ]，其中Ap是指壓力容器有效補強范圍內的壓力作用面積，而Aσ是指補強元件、接管等有效承載面積，p是容器圓筒的設計壓力，[σ]則是指所應用的補強材料的許用應力，從上面的計算式就可以看出這一方法的計算是建立在補強截面薄膜應力計算的基礎上，而不涉及孔邊彎曲應力，因而在實際應用中，常會因實際應力與計算結果相差太大而失去補強的目的，因此這種方法在實際工程中應用較少。

2.ASME計算法

鑒于壓力面積法在彎矩問題上的缺點，ASME方法就在壓力面積法上增加了彎矩作用計算，在理論上就是在計算薄膜應力的同時增加彎矩應力計算，因而其計算通式是，Sb=，M=（/6+RRne）p，其中As是指開孔區域內的橫截面面積，而I是指As面積中所對應的中性軸慣性矩，a是指中性軸和容器壁表面之間的距離，Rm是指課題平均的半徑長度，Rnm是指接管頸平均的半徑長度，e是指As面積中性軸和殼壁中面處之間的距離，由上面的計算式可以看出該計算方法對薄膜應力的計算和壓力面積方法相同，并對補強范圍進行了調整，然后在這一基礎上增加了彎矩計算，彎矩應力主要包括兩個部分，一是在實施開孔操作后在孔邊緣產生的軸向拉力，二是開空前在開孔區域內壓位置上差異不同所帶來的彎矩，這一種計算方法較壓力面積法更為進步，考慮了開孔位置邊緣彎矩應力問題。因而這種方法比壓力面積法的計算結果更為準確一些，但是在開孔邊緣的彎矩應力計算方面，ASME方法還是不夠全面，僅僅對繞圓筒母線彎矩進行了計算，但實際上邊緣處還存在另一個彎矩應力，就是在另一方向上產生的繞接管母線彎矩應力，在進行計算時應該將這些彎矩應力都計算進去，但是ASME方法只計算了一種，因而其理論計算結果與實際應力之間還是會存在一定差距。

3.有限元應力計算方法

有限元應力計算方法是利用一種有限元分析工具對壓力容器的塑性和彈性應力進行分析，并以此結果為依據的計算方法，其主要是一種應力分類方法，這一方法是目前應用最為廣泛的開孔補強方法，通過對開孔截面進行線性化處理，能夠對開孔處薄膜應力和開孔總應力是否滿足容器應力需要進行評定。其特點主要有以下幾個方面，一是要利用分析工具對壓力容器和部件的彈性應力進行分析，得出相應的彈性應力結果；二是在計算完薄膜應力與總應力進行校核時所采用的準則是塑性失效準則，具體是利用極限載荷對一次應力進行控制，以達到保護整體塑性的目的；三是對彈性應力的分類主要是根據塑性失效準則來進行；四是在對各類危險應力進行許用極限值確定時要按照等安全裕度原則進行。在實際計算過程中，先利用ASME方法對薄膜應力和邊緣彎矩進行計算，然后根據有限元分析軟件的分析結果來確定有效補強范圍，這樣確定出的有效補強范圍與壓力面積法和ASME法相比更為精確，也更加符合實際應力狀態。在理論計算過程中，在上述ASME計算通式中，根據有限元應力分析的分類結果，在公式中增加了關于局部薄膜應力和二次應力之間的關系限制條件，即，其中Sl是指局部薄膜應力，Q是指二次應力。通過這樣的增加限制能夠進一步提高計算結果的準確性，使理論計算結果與實際應力狀態更為接近，其準確性比壓力面積計算方法和單純ASME計算方法更高。但實際上有限元應力分析的準確性在實際操作中還是會受到很多因素影響，尤其是在對邊界條件、評定路徑選擇以及網格劃分等的類別判定上，且其評定過程較為復雜，如果處理不當，就會使最后計算評定出的結果與實際應力狀態不符。因而在實際應用有限元應力方法進行計算時，設計人員應該對軟件中所應用到的各類評定進行掌握，以便在進行評定過程中能夠正確處理各類條件、路徑等，以提高有限元計算方法的準確性，使理論設計補強結果與實際應力狀態相符合，以保證壓力容器在開孔接管后其內部應力狀態能夠恢復平衡。

結語：

從上面的分析可以看出各種計算方法都存在自身的利弊，工程人員在進行計算時要對各種方法在理論上進行比較，并結合實際的工程實踐，選擇最適合的補強方法進行補強計算，保證壓力容器的應力狀態能夠最大限度的恢復。

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