壓力容器開孔補強方法

馬軍偉（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710000）

壓力容器開孔補強方法

馬軍偉
（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710000）

摘要：在工程應(yīng)用中經(jīng)常需要為滿足各種工藝和結(jié)構(gòu)上的要求在壓力容器上開孔和安裝接管。容器開孔以后，開孔的地方會形成較大應(yīng)力，這時需要進行補強，本文列舉了一系列容器開孔方法，如等面積法、分析法以及壓力面積法等。關(guān)鍵詞：大開孔；補強；壓力容器

1　前言

隨著石油化工技術(shù)以及海洋和空間等技術(shù)的發(fā)展，壓力容器結(jié)構(gòu)也不再像傳統(tǒng)容器結(jié)構(gòu)那樣簡單。工藝以及結(jié)構(gòu)需求的不同，使得容器的許多受壓元件均要開孔接管，有時還需設(shè)計直徑大于800mm的大開孔。容器通過進行開孔，可以減弱其整體強度，使開孔邊緣應(yīng)力過于集中。按照JB4732規(guī)范提到的應(yīng)力分類，容器開孔后的應(yīng)力有以下幾種：相貫線殼體變形造成的應(yīng)力及峰值應(yīng)力等等。

在容器設(shè)計制造中，國內(nèi)對容器接管開孔補強一般采用以下幾種方法：補強圈補強及厚壁接管補強等。當(dāng)補強圈補強與殼體厚度相等時，補強圈由于面積過大從而不能集中補強，而且殼體本身和殼體上的其它部件通常也會限制補強圈面積，因此補強圈補強一般適用于容器應(yīng)力水平低，材料塑韌性好，且容器的工作條件比較優(yōu)良的場合。當(dāng)采用厚壁接管補強時，由于接管與筒體的壁厚相差較大，增大了現(xiàn)場焊接難度和制造成本，若再出現(xiàn)接管力和接管彎矩作用時，接管的設(shè)計壁厚將急劇增加，將無法實現(xiàn)接管壁厚補強，因此接管壁厚補強一般適用于像儀表口等小直徑接管的補強；而整體鍛件補強由于受到鍛件制造工藝的約束，目前一般用于封頭人孔接管的補強，其結(jié)構(gòu)尺寸大（DN500），成本高，制造難度大，周期長。以上幾種補強對小直徑接管來說，優(yōu)勢非常明顯。但對于容器直徑較大的（>800mm）開孔接管補強，會因為它的根部峰值應(yīng)力過大，使得裝置運行后，造成容器襯里脫落，甚至可能會造成裝置停車。從這個角度來看，傳統(tǒng)的接管補強方法已經(jīng)不能滿足大型化裝置。針對以上情況本文介紹幾種常用的壓力容器大開孔計算方法。

2　常規(guī)的開孔方法

2.1等面積法

2.1.1適用范圍

這種方法適合壓力下的殼體與平封頭上的圓型及橢圓形等形狀開孔。當(dāng)在殼體上開孔時（橢圓形或長圓形），孔長徑比上短徑數(shù)值應(yīng)在一定數(shù)值范圍內(nèi)（≤2.0）。

（1）圓筒內(nèi)徑Di≤1500mm時，開孔最大直徑dop≤Di/2，dop≤520mm；圓筒內(nèi)徑Di≥1500mm時，開孔最大直徑dop≤Di/3，dop≤1000mm；

（2）凸型封頭直徑最大值為dop≤Di/2；

（3）錐形封頭開孔直徑最大值為Di/3，Di為開孔中心的錐殼內(nèi)徑。

2.1.2開孔補強的面積計算

等面積設(shè)計法的基本公式A4≥A-Ae。

A為所需補強面積

A=dopδ+2δδet（1-fr）

式中：對于安放式接管取fr=1.0；δ—計算厚度，mm，δet—接管有效厚度；

Ae=A1+A2+A3

Ae—補強面積，mm。

其中A1、A2分別為在補強有效范圍內(nèi)殼體、接管除承受壓力所需厚度之外的多余截面積；A3焊縫金屬截面積，A4有效補強范圍內(nèi)另加的補強面積，mm2。

2.2分析法

分析法指依據(jù)彈性薄殼理論得出的一種應(yīng)力方法。它主要被用在內(nèi)壓作用下的開孔補強設(shè)計中，其中d≤0.09D，max[0.5，d/D]≤δet/δt≤2

d為接管中面直徑（單位mm）。D為圓筒中面直徑（單位mm）。

圖1 壓力面積法

3大開孔補強方法

3.1壓力面積法

這種方法是德國壓力容器規(guī)范中使用的一種補強方法，開孔率為0.8。壓力面積法經(jīng)常被應(yīng)用于工程中，對超出等面積法適用范圍的開孔進行補強。壓力面積法通式如下

（Ap/Aδ+1/2）P≤[δ]

Ap為壓力作用面積（有效補強范圍內(nèi)）

Aδ=hδ+h1δ1

Aδ為殼體、接管等有效承載面積；P為圓筒設(shè)計壓力；[δ]為補強材料許用應(yīng)力；h，h1為筒體補強長度和接管補強高度。

采用壓力面積法，應(yīng)該注意以下幾個問題：

（1）接管與殼體應(yīng)全焊透，為了避免接管與殼體連接壁尖角過度，應(yīng)該采用圓角過度；

（2）接管、殼體等材料曲強比需要滿足δs/δb≤0.67。此外，還應(yīng)該避免標準常溫抗拉強度過大（δb＞540MPa）的材料；

（3）需要對接管、殼體間焊縫進行無損檢測；

（4）該方法對介質(zhì)對應(yīng)力敏感的場合不適用；

（5）該方法需要避免產(chǎn)生蠕變或脈動載荷的場合。

3.2極限壓力法

該方法以塑性失效為準則。該方法認為：結(jié)構(gòu)的初始屈從，不能說明承載能力已經(jīng)喪失。但是當(dāng)容器特定區(qū)域截面進入塑性狀態(tài)（甚至是塑性流動）時，視其失效，對應(yīng)載荷稱為極限載荷。因為該原則對開孔周圍應(yīng)力區(qū)有很大的應(yīng)力許用值，所以常常被用在壓力容器的大開孔補強當(dāng)中。

通過塑性理論分析和實驗等方法能夠得到極限荷載。具體方法是：首先，畫出載荷—應(yīng)變曲線；其次，依兩倍彈性斜率法或者1%塑性應(yīng)變載荷法等方法測出相貫線應(yīng)力區(qū)的極限載荷。此外，對柱殼開孔結(jié)構(gòu)以及極限載荷上限經(jīng)驗，得出計算公式為Pl=gPs。

3.3有限元法

20世紀70年代開始，壓力容器和對應(yīng)的軟件技術(shù)行業(yè)迅速發(fā)展。在這個發(fā)展過程中，三維有限元法得到了廣泛應(yīng)用。三維有限元的計算和單元形式以及網(wǎng)格劃分方法緊密相聯(lián)，選用不正確可能會造成計算結(jié)果誤差。此外，還需要對三維有限元計算結(jié)果進行分類，特定種類的應(yīng)力對應(yīng)特定的許用值。

結(jié)語

壓力容器的開孔補強如果開孔率符合GB150中的適用范圍通常采用等面積法，超過規(guī)范范圍的則采用壓力面積法、極限壓力法、有限元法。其中壓力面積法和等

面積法在強度計算理論上是完全相同的，只是在對殼體補強有效范圍的規(guī)定上，二者各取兩個影響因素的一個，從而導(dǎo)致在開孔相對尺寸di/Di值不同時各偏于“偏冒進”或“偏保守”的現(xiàn)象。極限法和等面積法類似，是一種建立在靜力強度上的補強方法。但是等面積法的計算模型基礎(chǔ)是受拉伸開孔大平板，而且其計算靠整個殼體截面的平均應(yīng)力進行；極限壓力法的基礎(chǔ)是殼體模型，并且依極限載荷來完成計算。

大開孔率過大的補強問題，還沒有完整的設(shè)計規(guī)范，因此在重要的情況下，需要采取保守做法。比如選用安全系數(shù)高的設(shè)計、制造過程采用全焊透結(jié)構(gòu)、進行無損檢測以及進行熱處理等方法。同時，考慮到各種補強方法的適用范圍，最好將計算的應(yīng)力值和現(xiàn)有可靠試驗值進行對比，或者采用其他補強方法進行校對。

參考文獻

[1]劉寶慶，蔣家羚.壓力容器大開孔補強方法[J].2001（09）.

中圖分類號：TQ050

文獻標識碼：A