淺談壓力容器設計中常用三種開孔補強方法的區別

趙國龍

（廣西合浦南方機械設備有限公司，廣西 北海536100）

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淺談壓力容器設計中常用三種開孔補強方法的區別

趙國龍

（廣西合浦南方機械設備有限公司，廣西 北海536100）

摘要：在壓力容器的設計中，對于殼體的開孔補強，常用的有等面積法、分析法和壓力面積法這三種方法，從每種方法的適用范圍與出處進行比較區分，以明確各種方法的應用場合及內在的區別與聯系。

關鍵詞：等面積法；分析法；壓力面積法；適用范圍

壓力容器是承載一定壓力的密閉設備，具有一定的危險性，如在設計階段分析計算不當，就會埋下很大的安全隱患，對人民的生命財產安全造成威脅。壓力容器基本上都要有開孔接管，但開孔接管處不但破壞了容器結構的連續性，削弱了容器殼體的強度，而且會產生極大地應力集中，成為疲勞破壞與脆性裂紋的根源。因此，壓力容器在設計制造中對開孔進行合理的補強意義與重要性不言而喻。

本文主要從適用范圍以及基本原理與出處方面對等面積法、分析法以及壓力面積法進行比較，找出每種方法在應用場合方面的區別。由于絕大部分壓力容器都是內壓容器，采用圓筒形殼體，橢圓形封頭，接管為圓形，所以本文僅討論采用圓筒形殼體橢圓形封頭的內壓容器的圓形接管開孔補強計算，并假定所用材料均符合標準要求。

1　等面積補強法

等面積法的力學基礎，是無限大平板開小孔，雖然壓力容器的殼體開孔后的受力狀態并不完全等同于大平板開圓孔，但由于在小開孔率等特定情況下，不會有很大的偏差，且此方法計算過程較為方便，并通過長期的使用經驗驗證其安全性，因此在工程中得到廣泛的應用。

1.1單個開孔補強的等面積法

等面積法分為單個開孔補強的等面積法與多個開孔補強的等面積法，適用范圍應符合GB150.3章節6.1.1的規定，具體條件如下：

（1）筒體內徑D≤1500mm：開孔直徑d≤D/2，且不大于520 mm，筒體內徑D＞1500 mm：開孔直徑d≤D/2，且不大于1000 mm；

（2）封頭開孔d≤D/2.其中D為筒體內徑，d為開孔直徑。

單個開孔補強的等面積法還需滿足GB150.3-2011章節6.3.1關于單個開孔適用范圍的要求，即相鄰兩個開孔的中心距（以曲面弧長計算）不小于兩開孔直徑之和。如兩開孔中心距小于兩開孔直徑之和，應選用聯合補強方法進行計算。

1.2多個開孔補強的等面積法

當殼體上有多個開孔，且符合以下條件時，應采用聯合補強：

（1）兩個開孔：兩個相鄰開孔的中心距小于兩孔直徑之和，而使其補強范圍重疊。

（2）三個及以上開孔：若兩兩相鄰開孔中心距小于兩孔直徑之和且不小于其平均直徑的4/3，則兩孔之間的補強面積不小于兩孔所需總補強面積的50%；若任意兩孔中心距小于其平均直徑的4/3，則按c方法進行補強。

（3）任何數量以任意方式排列的相鄰開孔，均可作為一個直徑包含所有開孔的假想孔進行補強，但此假想孔直徑不得超過單孔補強法的適用范圍，且所有接管金屬均不得用作補強。

（3）圓筒上一系列規則排列的開孔，其每個開孔又無法進行單獨補強時，應采用GB150.2-2011章節6.4.2排孔的補強要求進行計算。

2　分析法

分析法是GB150-2011新增加的計算方法，該方法的理論基礎是清華大學研究組經過20多年研究而提出的，適用于圓柱殼大開孔接管的薄殼理論解，解的結果得到了前人許多實驗結果與精細網格三維有限元解的驗證，并得到國際同行的認可和贊賞。

使用分析法開孔率d/D最大可達0.9，但僅適用于內壓作用下具有徑向接管的開孔補強設計，即僅適用于筒體徑向開孔，不適用于筒體非徑開孔向與封頭開孔。

根據GB150.3章節6.1.2的規定，分析法適用范圍如下：

d≤0.9D且max［0.5，d/D］≤δet≤δe≤2

其中：D為筒體內徑，d為開孔直徑，δet為接管有效厚度，δe為筒體有效厚度。

3　壓力面積法

HG/T 20582-2011《鋼制化工容器強度計算規定》中第七章“大開孔的補強計算”提出了一種壓力面積法，借鑒的是歐盟EN13445-3:2002標準的壓力面積法，是從原德國AD規范中的壓力面積法的基礎上改進而來，并也為美國ASME所接受。HG/T 20582-2011在引用時根據我國國情相應加大了安全裕度，使用更加安全。

當壓力容器中的開孔補強計算范圍超出GB150的范圍時，可考慮采用本方法進行分析計算，但需滿足以下條件：

（1）沒有或不考慮接管補強，而只考慮筒體增厚補強時，d/D≤0.5；

（2）采用補強圈補強時，d/D≤0.5；

（3）采用接管補強時，di/D≤1.0，di為接管內徑。

（4）凸形封頭開孔：

1）有接管補強時，接管內徑di與筒體外徑Do之比Do/di≤0.6；

2）采用凸緣環補強時，凸緣環的內徑di與筒體外徑Do之比Do/di≤0.6.

4　結束語

（1）當開孔率不大于0.5時，應優先考慮能否采用等面積法進行分析計算，等面積法是壓力容器設計中計算簡便、得到長期使用驗證、安全裕度較大的的計算方法。但當開孔率大于1/2時，運用等面積法計算會產生較大偏差，不適用于大開孔的場合。

（2）當開孔率大于0.5時，則優先考慮新版GB150新提出的分析法，運用該方法的開孔直徑與筒體內徑之比d/D可達0.9，且在大開孔的情況下，分析法的安全裕度是足夠的。

（3）實際上，壓力面積法與等面積法的基本原理是一致的，都是基于以開孔有效補強范圍內的金屬面積承載能力與內壓力載荷相平衡的靜力平衡法。只是補強的范圍兩者有所不同，等面積法的補強范圍不論開孔大小都在開孔2倍的區域內，因此隨著開孔率的增大，計算誤差也隨之增大。而壓力面積法的補強范圍與開孔直徑有關，其補強范圍也與開孔應力衰減的范圍相一致，因此分析比較合理，適用于大開孔的場合。

（4）雖然壓力面積法可用于大開孔的分析計算，但開孔率較小時，按照壓力面積法計算偏于保守，而開孔率較大時，按照壓力面積法計算得到的補強又不能滿足結構安定性的要求。且GB150并未收入該方法，HG/T20582中也提到本方法適用于超出GB150計算范圍的開孔，意為優先考慮GB150所列的方法，所以壓力面積法應放最后考慮。例如，封頭上的大開孔GB150并未給出相應的分析計算方法，則可考慮按照壓力面積法進行分析計算。

參考文獻：

［1］GB150-2011，壓力容器［S］.

［2］GB150-2011，《壓力容器》標準釋義［S］.

［3］HG/T 20582-2011，鋼制化工容器強度計算規定［S］.

Disscusion on The Difference Between The Three Opening Reinforcement Methods in The Pressure Vessel's Design

ZHAO Guo-long
（Southern Hepu Machinery Equipment Co.，Ltd.，Beihai，Beihai Guangxi 536100，China）

Abstract：In the design of pressure vessel，the shell opening reinforcement，commonly used have equal area method，analysis method and pressure area method of these three methods，this article from the scope of application of each method comparing with reference to distinguish，in order to make clear the applications of various methods and inner differences and relations.

Key words：equal area method；analysis method；pressure area method；scope of application

中圖分類號：TG441.3

文獻標識碼：B

文章編號：1672-545X（2016）03-0221-02

收稿日期：2015-12-03

作者簡介：趙國龍（1987-），男，廣西人，工科學士，助理工程師，研究方向為壓力容器設計。