壓力容器壓力面積法與分析法大開孔補強的設(shè)計比較

張 濤 李 娟 楊心理

(1.大慶石化工程有限公司；2.大慶油田化工集團東昊公司油氣處理分公司)

符號說明

Afp——接管上開孔區(qū)有效承壓金屬面積，mm2；

Afs——殼體上開孔區(qū)有效承壓金屬面積，mm2；

Afw——補強連接處凸出殼體表面的焊接接頭金屬面積，mm2；

Apb——補強有效范圍內(nèi)接管內(nèi)的壓力面積，mm2；

Aps——補強有效范圍內(nèi)殼體內(nèi)的壓力面積，mm2；

D——圓筒中面直徑，mm；

Di——殼體內(nèi)徑，mm；

di——開孔處的接管內(nèi)徑，mm；

K——等效總應(yīng)力集中系數(shù)；

Km——等效薄膜應(yīng)力集中系數(shù)；

nⅡ——等效薄膜應(yīng)力校核系數(shù)；

nⅣ——等效總應(yīng)力校核系數(shù)；

p——設(shè)計壓力，MPa；

SⅡ——等效薄膜應(yīng)力，MPa；

SⅣ——等效總應(yīng)力，MPa；

δe——殼體開孔處的有效厚度，mm；

ρ——開孔率；

[σ]b——接管材料許用應(yīng)力，MPa；

[σ]p——補強圈材料許用應(yīng)力，MPa；

[σ]s——殼體材料許用應(yīng)力，MPa；

[σ]t——設(shè)計溫度下殼體材料的許用應(yīng)力，MPa。

壓力容器開孔補強分析法是GB 150.3-2011《壓力容器第3部分：設(shè)計》中的新增內(nèi)容[1]，它是我國力學(xué)研究者多年的研究結(jié)果，指出開孔率ρ≤0.9；按HG/T 20582-2011規(guī)定的壓力面積法，圓筒殼體上采用接管補強的開孔，其開孔處的內(nèi)徑di與殼體內(nèi)徑Di之比di/Di≤1.0[2]。這兩種補強方法均極大地拓展了開孔補強的適用范圍，方便了設(shè)計者計算，但兩者也有許多不同點。筆者將結(jié)合實例，對該兩種補強方法進行比較。

1 容器設(shè)計參數(shù)

某裝置有一立式容器，內(nèi)徑1 300mm，筒體長度4 150mm，設(shè)計壓力2.16MPa，設(shè)計溫度240℃，殼體材料為Q345R，腐蝕裕量為3mm。筒體上有一DN600mm的人孔，人孔筒節(jié)材料為Q345R。按GB 150-2011計算，筒體名義厚度取14mm，人孔開孔最大直徑已超出了等面積法的適用范圍，但符合壓力面積法和分析法的適用條件。

2 壓力容器的開孔補強方法

2.1 壓力面積法

按壓力面積法，人孔筒節(jié)為φ630mm×16mm[3]，加補強圈φ840mm×14mm，對于接管和補強圈應(yīng)滿足：

(Afs+Afw)([σ]s-0.5p)+Afp([σ]p-0.5p)+

Afp([σ]b-0.5p)≥p(Aps+Apb)

(1)

經(jīng)計算：

(Afs+Afw)([σ]s-0.5p)+Afp([σ]p-0.5p)+

Afp([σ]b-0.5p)=1404862N

p(Aps+Apb)=1365934N

可知，接管和補強圈滿足式(1)的要求，并且補強面積裕量為：

2.2 分析法

經(jīng)計算，人孔筒節(jié)需改為φ648mm×24mm，筒節(jié)長度至少為130mm，且開孔處筒體局部需將名義厚度改為18mm，需加厚的筒體長度至少為960mm。

2.2.1等效薄膜應(yīng)力的計算

等效薄膜應(yīng)力的計算式為：

(2)

SⅡ≤nⅡ[σ]t

(3)

等效薄膜應(yīng)力許用值nⅡ[σ]t=351.12MPa，故計算合格。

設(shè)計裕量為：

2.2.2等效總應(yīng)力的計算

等效總應(yīng)力計算式為：

(4)

SⅣ≤nⅣ[σ]t

(5)

等效總應(yīng)力許用值nⅣ[σ]t=414.96MPa，故計算合格。

設(shè)計裕量為：

3 兩種補強方法的對比

從以上計算可以看出，在兩種補強方法裕量相差不大的情況下，用壓力面積法僅需加補強圈，補強圈質(zhì)量為47kg；用分析法補強時，需同時加厚人孔筒節(jié)與設(shè)備筒體，加厚部分質(zhì)量約為140kg。

同時，兩種補強方法均對制造提出了一些特殊要求，例如：接管或補強件與殼體應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)；接管與殼體連接內(nèi)外壁應(yīng)圓滑過渡；補強范圍內(nèi)的A、B類焊接接頭應(yīng)無損檢測合格；接管有效厚度與殼體有效厚度之比有限制；接管、殼體、補強件材料屈強比不應(yīng)太高(壓力面積法屈強比不大于0.68，分析法屈強比不大于0.80)。

兩種補強方法的不同之處在于，壓力面積法明確地提出應(yīng)避免采用標準常溫抗拉強度下限值大于540MPa的材料，如若采用，需在設(shè)計及檢驗等方面作特殊考慮。另外，壓力面積法按HG/T 20582-2011規(guī)定限制較多。

4 結(jié)束語

介紹了壓力面積法和分析法計算開孔補強的過程，并對兩種補強方法進行了比較。在計算中還應(yīng)注意兩點：開孔補強的分析法列入GB 150后，在等面積法不適用、但壓力面積法和分析法均適用的大開孔情況下，設(shè)計者將優(yōu)先使用分析法；用分析法時，筒體和接管厚度應(yīng)做合理調(diào)整，并對制造和無損檢測提出要求。

[1] GB 150.1～150.4-2011,壓力容器[S].北京：國家質(zhì)檢出版社，2011.

[2] HG/T 20582-2011,鋼制化工容器強度計算規(guī)定[S].北京：中華人民共和國工業(yè)和信息化部，2011.

[3] HG/T 20514～21535-2005, 鋼制人孔和手孔[S].北京：中國計劃出版社，2009.