淺談開孔補(bǔ)強(qiáng)的等面積法和壓力面積法

李興敏（盤錦金碧專用汽車制造有限公司，遼寧　盤錦　124000）

淺談開孔補(bǔ)強(qiáng)的等面積法和壓力面積法

李興敏
（盤錦金碧專用汽車制造有限公司，遼寧盤錦124000）

本文筆者對壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)的等面積法和壓力面積法的補(bǔ)強(qiáng)原理、補(bǔ)強(qiáng)范圍、計(jì)算過程進(jìn)行了對比和分析。

開孔補(bǔ)強(qiáng)；等面積法；壓力面積法；補(bǔ)強(qiáng)原理；補(bǔ)強(qiáng)范圍；理論分析

壓力容器是盛裝壓力介質(zhì)的密閉容器，被廣泛地應(yīng)用于石油、化工、輕工及醫(yī)藥等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活的各個領(lǐng)域。根據(jù)不同的生產(chǎn)用途，壓力容器有各種不同的尺寸、容積和形狀，可以承受大小不同的壓力和不同的溫度條件，所盛裝的介質(zhì)可以是不同形態(tài)的物料，或者具有特殊的化學(xué)腐蝕、易燃、易爆或毒性危害特性的介質(zhì)。壓力容器的建造和使用涉及生產(chǎn)設(shè)備和生命安全，因此，壓力容器的合理設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

在各行業(yè)的壓力容器中，由于各種不同的生產(chǎn)需求，壓力容器必須安裝接管，從而需在容器上開孔。開孔后，除容器殼體的強(qiáng)度被消弱外，并且由于容器的連續(xù)性結(jié)構(gòu)被破壞，在管殼連接處的附近（開孔邊緣的附近區(qū)域）會產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，在此區(qū)域形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，成為疲勞破壞和脆性裂紋的破壞源。應(yīng)力集中有局部性和自限性兩個特點(diǎn)，應(yīng)力值會隨著距開孔邊緣距離的增大而減弱，因此可以采用在開孔附近局部補(bǔ)強(qiáng)的方法來降低該區(qū)域的應(yīng)力集中，即對各種型式的開孔應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。本文主要對等面積法和壓力面積法兩種方法進(jìn)行分析。我國GB150、JB4732標(biāo)準(zhǔn)采用的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法是等面積法，原西德AD規(guī)范中的開孔補(bǔ)強(qiáng)方法采用的是壓力面積法。

1　補(bǔ)強(qiáng)原理

壓力容器殼體開孔以后，孔邊可引起三種應(yīng)力：局部薄膜應(yīng)力（屬于一次應(yīng)力）、彎曲應(yīng)力（屬于二次應(yīng)力）、峰值應(yīng)力。等面積法是以雙向受拉伸的無限大平板上開有小孔時孔邊的應(yīng)力集中作為理論基礎(chǔ)的，即僅考慮殼體中存在的拉伸薄膜應(yīng)力，且以補(bǔ)強(qiáng)殼體的一次應(yīng)力強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。對孔邊緣的二次應(yīng)力并未校核，是通過限制開孔形狀、長短徑之比和開孔范圍加以考慮，使孔邊的局部應(yīng)力得到約束，對孔邊緣的峰值應(yīng)力問題未加考慮，為此不適用疲勞容器開孔補(bǔ)強(qiáng)。由于補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算對象是薄膜應(yīng)力，未計(jì)及開孔邊緣的彎曲應(yīng)力，而大開孔時，孔邊出現(xiàn)較大的彎曲應(yīng)力，故不適用大開孔。等面積法要求殼體開孔以后，失去的金屬量需有補(bǔ)強(qiáng)材料在殼體和接管連接的附近區(qū)域予以補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)慕饘倭坎坏眯∮谝蜷_孔殼體失去的金屬量，金屬量的判別按開孔截面的投影面積計(jì)算。

壓力面積法與等面積法一樣，都是基于靜力平衡，即以開孔有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的金屬截面積（包括殼體、接管、補(bǔ)強(qiáng)材料等）的承載能力與內(nèi)壓力載荷相平衡為準(zhǔn)則的計(jì)算方法，計(jì)算只涉及補(bǔ)強(qiáng)材料的薄膜應(yīng)力。

2　補(bǔ)強(qiáng)范圍

等面積法：對殼體有效補(bǔ)強(qiáng)范圍B取為開孔直徑2倍，即B=2d，是以受均勻拉伸的開小孔大平板的計(jì)算原理，孔邊應(yīng)力集中范圍進(jìn)行考慮的，由此假設(shè)殼體自開孔邊緣起算的有效補(bǔ)強(qiáng)寬度為d/2。主要是開孔直徑的選取，具體見GB150.3-2011。

綜上可以看到，對于殼體有效寬度，等面積法只取決于開孔直徑大小這一個因素；而壓力面積法與兩個因素有關(guān)，一是開孔殼體的直徑、一是開孔殼體的壁厚，但是與開孔直徑的大小無關(guān)。為此，對殼體是大直徑的開孔接管，通常，那么壓力面積法的有效寬度較大，殼體用于補(bǔ)強(qiáng)的面積多于等面積法，則另行補(bǔ)強(qiáng)面積就相對較少；對小直徑低壓容器，則等面積法的補(bǔ)強(qiáng)范圍大于壓力面積法，筒體上多余面積可利用較多，則所需補(bǔ)強(qiáng)元件額外補(bǔ)強(qiáng)的面積就較少。

3　理論分析

等面積法：若Ae≥A，則開孔不需另加補(bǔ)強(qiáng)；若Ae＜ A，則開孔需另加補(bǔ)強(qiáng)，需另加補(bǔ)強(qiáng)面積為A4≥A-Ae。

Ae為在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積：Ae=A1+A2+A3。

式中：A1殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積，A2接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積，A3焊縫金屬截面積，A4有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)另加的補(bǔ)強(qiáng)面積，A為殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積。

等面積補(bǔ)強(qiáng)法是基于殼體開孔前后局部截面的抗拉承載能力，即拉伸強(qiáng)度不變的準(zhǔn)則。

壓力面積法：

（Ap/Aσ+1/2）P≤[σ]

該式經(jīng)變形為：

AP*P≤Aσ*（[σ]-P/2）

式中：Ap有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)壓力的作用面積，Aσ殼體、接管、補(bǔ)強(qiáng)元件的有效承載面積，P圓筒設(shè)計(jì)壓力，[σ]補(bǔ)強(qiáng)材料許用應(yīng)力。該式是以有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)受壓面積與承載面積的力平衡為基礎(chǔ)的，即壓力在殼體受壓面積上形成的載荷與有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)殼體、接管以及補(bǔ)強(qiáng)材料的面積具有的承載能力相平衡。

結(jié)語

等面積法和壓力面積法的補(bǔ)強(qiáng)原理是相同的，但二者的補(bǔ)強(qiáng)范圍是不同的。由于等面積法是基于大平板開孔，當(dāng)開孔直徑d與殼體直徑D之比（d/D）較小時，開孔周邊的殼體近似地以大平板考慮，不會引起很大的偏差。當(dāng)開孔較大，即d/ D較大時，有效補(bǔ)強(qiáng)范圍壓力面積法取的相對較小，需要額外的補(bǔ)強(qiáng)面積就較多，且離開孔邊緣近，使局部應(yīng)力集中水平降低，故壓力面積法一般用于開孔率較大的場合，通常可用于開孔直徑與殼體外直徑之比小于等于0.8，但使用時有一些限制條件，具體見HG20582-2011，等面積法的適用范圍見GB150.3-2011。目前，壓力面積法在我國還沒當(dāng)做合法依據(jù)，當(dāng)殼體開孔超出GB150.3-2011規(guī)定時，該法可參考使用。但是，對有疲勞強(qiáng)度要求的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，等面積法和壓力面積法均不適用。

圖1

[1] GB 150.1～150.4-2011，壓力容器[S].

[2]李世玉.壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程[M].北京：新華出版社，2005.

TQ051

A

李興敏（1979- ）女，遼寧省朝陽縣人，沈陽化工大學(xué)，過程裝備與控制工程專業(yè)，工程師，畢業(yè)后一直從事壓力容器設(shè)計(jì)工作。