壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法

馬軍偉（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710000）

壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)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(kāi)孔和安裝接管。容器開(kāi)孔以后，開(kāi)孔的地方會(huì)形成較大應(yīng)力，這時(shí)需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，本文列舉了一系列容器開(kāi)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(kāi)孔；補(bǔ)強(qiáng)；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(jiǎn)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(kāi)孔接管，有時(shí)還需設(shè)計(jì)直徑大于800mm的大開(kāi)孔。容器通過(guò)進(jìn)行開(kāi)孔，可以減弱其整體強(qiáng)度，使開(kāi)孔邊緣應(yīng)力過(guò)于集中。按照J(rèn)B4732規(guī)范提到的應(yīng)力分類，容器開(kāi)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(jì)制造中，國(guó)內(nèi)對(duì)容器接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)一般采用以下幾種方法：補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)及厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)等。當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)與殼體厚度相等時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)圈由于面積過(guò)大從而不能集中補(bǔ)強(qiáng)，而且殼體本身和殼體上的其它部件通常也會(huì)限制補(bǔ)強(qiáng)圈面積，因此補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)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(chǎng)合。當(dāng)采用厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，由于接管與筒體的壁厚相差較大，增大了現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，接管的設(shè)計(jì)壁厚將急劇增加，將無(wú)法實(shí)現(xiàn)接管壁厚補(bǔ)強(qiáng)，因此接管壁厚補(bǔ)強(qiáng)一般適用于像儀表口等小直徑接管的補(bǔ)強(qiáng)；而整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)尺寸大（DN500），成本高，制造難度大，周期長(zhǎng)。以上幾種補(bǔ)強(qiáng)對(duì)小直徑接管來(lái)說(shuō)，優(yōu)勢(shì)非常明顯。但對(duì)于容器直徑較大的（>800mm）開(kāi)孔接管補(bǔ)強(qiáng)，會(huì)因?yàn)樗母糠逯祽?yīng)力過(guò)大，使得裝置運(yùn)行后，造成容器襯里脫落，甚至可能會(huì)造成裝置停車。從這個(gè)角度來(lái)看，傳統(tǒng)的接管補(bǔ)強(qiáng)方法已經(jīng)不能滿足大型化裝置。針對(duì)以上情況本文介紹幾種常用的壓力容器大開(kāi)孔計(jì)算方法。

2　常規(guī)的開(kāi)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(kāi)孔。當(dāng)在殼體上開(kāi)孔時(shí)（橢圓形或長(zhǎng)圓形），孔長(zhǎng)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(shí)，開(kāi)孔最大直徑dop≤Di/2，dop≤520mm；圓筒內(nèi)徑Di≥1500mm時(shí)，開(kāi)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(kāi)孔直徑最大值為Di/3，Di為開(kāi)孔中心的錐殼內(nèi)徑。

2.1.2開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的面積計(jì)算

等面積設(shè)計(jì)法的基本公式A4≥A-Ae。

A為所需補(bǔ)強(qiáng)面積

A=dopδ+2δδet（1-fr）

式中：對(duì)于安放式接管取fr=1.0；δ—計(jì)算厚度，mm，δet—接管有效厚度；

Ae=A1+A2+A3

Ae—補(bǔ)強(qiáng)面積，mm。

其中A1、A2分別為在補(bǔ)強(qiáng)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(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)另加的補(bǔ)強(qiáng)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(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)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(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法

3.1壓力面積法

這種方法是德國(guó)壓力容器規(guī)范中使用的一種補(bǔ)強(qiáng)方法，開(kāi)孔率為0.8。壓力面積法經(jīng)常被應(yīng)用于工程中，對(duì)超出等面積法適用范圍的開(kāi)孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。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(bǔ)強(qiáng)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(jì)壓力；[δ]為補(bǔ)強(qiáng)材料許用應(yīng)力；h，h1為筒體補(bǔ)強(qiáng)長(zhǎng)度和接管補(bǔ)強(qiáng)高度。

采用壓力面積法，應(yīng)該注意以下幾個(gè)問(wèn)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(guò)度，應(yīng)該采用圓角過(guò)度；

（2）接管、殼體等材料曲強(qiáng)比需要滿足δs/δb≤0.67。此外，還應(yīng)該避免標(biāo)準(zhǔn)常溫抗拉強(qiáng)度過(guò)大（δb＞540MPa）的材料；

（3）需要對(duì)接管、殼體間焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)；

（4）該方法對(duì)介質(zhì)對(duì)應(yīng)力敏感的場(chǎng)合不適用；

（5）該方法需要避免產(chǎn)生蠕變或脈動(dòng)載荷的場(chǎng)合。

3.2極限壓力法

該方法以塑性失效為準(zhǔn)則。該方法認(rèn)為：結(jié)構(gòu)的初始屈從，不能說(shuō)明承載能力已經(jīng)喪失。但是當(dāng)容器特定區(qū)域截面進(jìn)入塑性狀態(tài)（甚至是塑性流動(dòng)）時(shí)，視其失效，對(duì)應(yīng)載荷稱為極限載荷。因?yàn)樵撛瓌t對(duì)開(kāi)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(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)當(dāng)中。

通過(guò)塑性理論分析和實(shí)驗(yàn)等方法能夠得到極限荷載。具體方法是：首先，畫(huà)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(cè)出相貫線應(yīng)力區(qū)的極限載荷。此外，對(duì)柱殼開(kāi)孔結(jié)構(gòu)以及極限載荷上限經(jīng)驗(yàn)，得出計(jì)算公式為Pl=gPs。

3.3有限元法

20世紀(jì)70年代開(kāi)始，壓力容器和對(duì)應(yīng)的軟件技術(shù)行業(yè)迅速發(fā)展。在這個(gè)發(fā)展過(guò)程中，三維有限元法得到了廣泛應(yīng)用。三維有限元的計(jì)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(huì)造成計(jì)算結(jié)果誤差。此外，還需要對(duì)三維有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分類，特定種類的應(yīng)力對(duì)應(yīng)特定的許用值。

結(jié)語(yǔ)

壓力容器的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)如果開(kāi)孔率符合GB150中的適用范圍通常采用等面積法，超過(guò)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(qiáng)度計(jì)算理論上是完全相同的，只是在對(duì)殼體補(bǔ)強(qiáng)有效范圍的規(guī)定上，二者各取兩個(gè)影響因素的一個(gè)，從而導(dǎo)致在開(kāi)孔相對(duì)尺寸di/Di值不同時(shí)各偏于“偏冒進(jìn)”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(qiáng)度上的補(bǔ)強(qiáng)方法。但是等面積法的計(jì)算模型基礎(chǔ)是受拉伸開(kāi)孔大平板，而且其計(jì)算靠整個(gè)殼體截面的平均應(yīng)力進(jìn)行；極限壓力法的基礎(chǔ)是殼體模型，并且依極限載荷來(lái)完成計(jì)算。

大開(kāi)孔率過(guò)大的補(bǔ)強(qiáng)問(wèn)題，還沒(méi)有完整的設(shè)計(jì)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(jì)、制造過(guò)程采用全焊透結(jié)構(gòu)、進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)以及進(jìn)行熱處理等方法。同時(shí)，考慮到各種補(bǔ)強(qiáng)方法的適用范圍，最好將計(jì)算的應(yīng)力值和現(xiàn)有可靠試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，或者采用其他補(bǔ)強(qiáng)方法進(jìn)行校對(duì)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉寶慶，蔣家羚.壓力容器大開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法[J].2001（09）.

中圖分類號(hào)：TQ050

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A