開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)分析法與焊制三通計(jì)算法的比較

周 銘 徐莉萍

（液化空氣（杭州）有限公司)

圓柱殼開(kāi)孔接管結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓作用下，由于主殼和支管連接處結(jié)構(gòu)的幾何不連續(xù)，在相貫線區(qū)域會(huì)產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中，尤其是開(kāi)孔率較大的接管，所以尋求各種合理的設(shè)計(jì)方法，保證該部位的安全運(yùn)行非常重要。本文對(duì)圓筒徑向接管的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)分析法[1]（以下簡(jiǎn)稱(chēng) “開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)分析法”）與焊制三通計(jì)算法[2]進(jìn)行了分析比較。

1 計(jì)算方法的介紹

開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)分析法：這是GB 150—2011《壓力容器》中新增的方法，該方法是根據(jù)我國(guó)自主研發(fā)的薄殼理論解得的。該方法在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上提供了一種既便于應(yīng)用、適用范圍更廣又具有必要精度的解析設(shè)計(jì)方法。它通過(guò)求解出等效的薄膜應(yīng)力和總應(yīng)力集中系數(shù)，采用第一強(qiáng)度理論周向薄膜應(yīng)力的計(jì)算方法和公式，分別計(jì)算出開(kāi)孔處的等效薄膜應(yīng)力和等效總應(yīng)力，并分別進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定。其求解的精度與適用范圍得到了精細(xì)網(wǎng)格的三維有限元解的成功驗(yàn)證。

焊制三通計(jì)算法：焊制三通在化工設(shè)備、化工管道以及鍋爐蒸汽系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)普遍， 其實(shí)質(zhì)也是一種開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，開(kāi)孔率一般也比較大。GB/T 9222—2008《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》[3]中對(duì)焊制三通的計(jì)算思路和開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)分析法相似，它是在大量的試驗(yàn)研究和有限元分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，得到計(jì)算強(qiáng)度減弱系數(shù)的解析式，將其代入第一強(qiáng)度理論周向薄膜應(yīng)力的計(jì)算公式中，分別得到主管和支管的計(jì)算厚度。這種計(jì)算方法也被錄入到HG/T 20582—2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》中，同樣也能采用SW6軟件計(jì)算。

兩種計(jì)算方法的適用范圍如表1所示。

表1 兩種計(jì)算方法比較

綜上所述， 這兩種計(jì)算方法均適用于大開(kāi)孔，其設(shè)計(jì)方法都不是面積補(bǔ)強(qiáng)法，兩者本質(zhì)上都是通過(guò)試驗(yàn)和有限元分析找到開(kāi)孔處的應(yīng)力集中系數(shù)或強(qiáng)度減弱系數(shù)的計(jì)算公式，進(jìn)而計(jì)算出開(kāi)孔處局部應(yīng)力，再進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定；但開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)分析法基于塑性極限和安定性準(zhǔn)則，分別計(jì)算出薄膜應(yīng)力和整體應(yīng)力，而焊制三通計(jì)算法采用的是彈性理論，沒(méi)有對(duì)應(yīng)力分類(lèi)。

2 實(shí)例分析

圖1 某圓筒徑向接管結(jié)構(gòu)

對(duì)同時(shí)滿(mǎn)足兩種計(jì)算方法適用范圍的開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，計(jì)算比較如下。圖1所示為某圓筒徑向接管結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)壓力為3.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度100℃，腐蝕余量2.0 mm。筒體外徑660 mm，筒體壁厚16 mm， 材質(zhì)為 Q245R； 接管尺寸為 ?406 mm×12 mm，材質(zhì)Q245R，接管外伸長(zhǎng)462 mm。開(kāi)孔率ρ=d/D=0.613， di/Di=0.61≥0.5， β=Do/Di=1.051， 符合兩種方法的適用條件。現(xiàn)分別以開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)分析法和焊制三通計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算。

（1）開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)分析法。設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力 [σ]t=147 MPa， 材料厚度負(fù)偏差C1t、C1為 0.3 mm。計(jì)算結(jié)果如表2所示。采用開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)分析法，該接管的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)不滿(mǎn)足要求。

表2 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)分析法計(jì)算結(jié)果

（2）焊制三通計(jì)算法。采用焊制三通計(jì)算法的計(jì)算結(jié)果如表3所示。該開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)滿(mǎn)足要求。

按同樣計(jì)算方法計(jì)算不同開(kāi)孔組合，結(jié)果如表4所示。

3 結(jié)論

焊制三通較多用于化工管道。焊制三通管道的載荷可能比壓力容器開(kāi)孔復(fù)雜。焊制三通也有可能在現(xiàn)場(chǎng)施焊制作，與壓力容器上的開(kāi)孔相比，存在著制造質(zhì)量更不穩(wěn)定、操作條件更復(fù)雜的情況。

由以上計(jì)算比較可知：對(duì)于同時(shí)滿(mǎn)足兩種計(jì)算方法適用范圍的開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，采用焊制三通計(jì)算法更容易通過(guò)，而采用開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)分析法更偏安全。理論上焊制三通計(jì)算法不像分析法那樣需要對(duì)應(yīng)力進(jìn)行分類(lèi)計(jì)算和評(píng)定。

表3 焊制三通計(jì)算法計(jì)算結(jié)果

表4 不同開(kāi)孔組合時(shí)兩種計(jì)算方法的結(jié)果

鑒于以上所述，無(wú)論是理論計(jì)算還是制造要求，開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)分析計(jì)算法更全面周到。在應(yīng)用焊制三通計(jì)算法進(jìn)行管道三通設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)計(jì)算結(jié)果應(yīng)給出更多的計(jì)算裕量，建議取計(jì)算裕量為7%以上。

[1] GB 150.1～150.4—2011壓力容器 [S].

[2] HG/T 20582—2011鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定 [S].

[3] GB/T 9222—2008水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算 [S].