淺析壓力容器等面積法開孔補強計算時需注意的問題

齊 波（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅蘭州 730060）

淺析壓力容器等面積法開孔補強計算時需注意的問題

齊 波
（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅蘭州 730060）

匯總并分析設計人員在應用等面積法對壓力容器開孔補強進行計算時，常見的錯誤及所需注意的問題，對其原因展開討論，并提出建議。

等面積法；開孔補強；壓力容器

等面積法以無限大平板開小孔的彈性分析理論為基礎，以補償開孔局部截面作為設計準則。等面積法基于開孔前后局部“截面”的抗拉承載能力不變的原則，認為當補強材料和開孔殼體材料一致時候，補強所需的面積就是開孔減少的面積。等面積法雖計算簡單，但具備長期的實踐經驗，因此被GB150，ASMEVIII及JIS等國內外壓力容器設計標準廣泛采用［1-3］。

但等面積法有其適用范圍，若不熟悉其理論依據及原理，則在計算時易忽略很多問題。隨著計算機的普及和Sw6等壓力容器計算軟件的廣泛使用，越來越多的壓力容器計算是通過計算機程序實現的。在利用計算機軟件獲得便利的同時，設計人員的整體理論水平有所下降。加之計算機軟件智能化程度不足且難以面面俱到，因不熟悉計算原理導致得出錯誤的計算結果的事件屢屢發生，從而給設備造成隱患。本文就等面積法開孔補強常見的計算錯誤及所需要注意的問題展開討論。

1　補強面積選取不合適

進行開孔補強時，需在規定的加強區域內進行補強，補強所需的金屬量必須不小于因開孔挖去的金屬量。使用筆算時，補強面積選取不合適的問題往往可避免，但使用計算機計算時，該錯誤則時常出現。補強面積選取不合適的情況主要有以下幾點：

1.1未考慮封頭減薄量

封頭在壓制過程時，其厚度會減薄。此時，在計算封頭有效寬度內可用于補強的金屬時，必須扣除其加工減薄量，以封頭的最小允許厚度為依據進行計算。但在工程設計實際中，由于Sw6軟件對此沒有特別提示，很多設計人員常會依照其名義厚度進行計算，從而造成補強面積不足。

1.2未考慮筒體長度不足

在殼體有效寬度內的“多余的金屬”可起到補強的作用。壓力容器上常會出現長度較短的筒體，其長度不能滿足有效補強寬度的需要，此時應選取實際有效補強范圍進行計算（參見圖1）。該問題在換熱器的管箱上尤為多見。此問題在工程設計中應特別予以重視。

1.3厚壁管補強時有效補強高度選取錯誤［4］

如圖2所示，用厚壁管進行補強時，h1值和h2值會有一定偏差，在計算時，應該按照最小伸出高度即h1值進行計算。在圓筒直徑較小、補強管直徑較大時，該現象不叫突出，此時h1值和h2值偏差會較大，往往會因此造成補強面積不夠。

1.4焊縫金屬面積選取不合適

焊縫處“多余的金屬”可用于補強，即補強中的A3值。但需要根據焊縫的不同選取不同的值。在使用SW6計算時，焊縫處“多余的金屬”的數值是有軟件自動生成的，但這數值可能與實際的焊縫截面積有很大差別，特別是當采用厚壁補強接管進行開孔補強時。這可能會因為實際的補強面積不夠而對設備安全埋下隱患。

圖1　有效補強寬度示意圖

圖2　有效補強高度示意圖

1.5注意判斷是否需要進行開孔聯合補強

這一點容易被遺忘，在使用SW6進行計算的時候，對采用聯合補強的個開孔間重疊部分的面積，應按開孔直徑比例進行分攤，補強寬度B值應有設計者手動輸入。

2　誤將橢圓孔等效成圓孔

等面積法從其計算意義上講，僅考慮了開孔截面的平均應力，即只對整個截面的一次強度進行了考慮，而沒有對開孔邊緣的應力集中問題進行考慮，對開孔局部高應力部位的安定性問題未予以校核。在圓筒形殼體上有縱向長圓形（橢圓）開孔的情況下，當長短軸之比較大時，在長軸的頂點處，會產生很高的局部應力，極易發生不安定的問題，而這在等面積補強計算法并沒體現。因此，各國標準均對用等面積法計算橢圓孔時，限制了其長短軸之比。一般限定等面積補強只能用于長短軸之比≤2的開孔情況。對于長短軸之比＞2的情況，孔邊的局部高應力部位必須輔以安定性校核。很多設計者為了方便，將橢圓孔等效成圓孔進行計算，極易造成設備隱患。

3　接管大端厚度過大

接管越厚，則其剛度就越大；相應的，接管與殼體連接的厚度差越大，兩者的剛度差就越大，從而導致設備受壓時接管與殼體連接部位的變形協調型就越差。協調變形性差，則產生的局部應力較大。因此，接管的厚度不宜比殼體厚度大太多，尤其是對容易產生冷裂紋的材料。雖GB150中對接管厚度沒有具體要求，但在實際設計中，接管大端厚度一般不宜超過殼體厚度的1.5倍，最大不超過殼體厚度的2倍。如不能滿足補強需要，則應考慮增加筒體壁厚，接管內伸等辦法處理補強問題［3］。

4　未計算接管小端厚度

很多設計者常對接管小端處的厚度未加以核算，在GB150中也確實未提及接管頸部最小厚度的要求，但保證接管的有效壁厚能滿足壓力載荷的需要則是必須的。因此應按照計算筒體壁厚的方式，對接管小端的壁厚進行核算，尤其要注意對GB150規定可不另行補強的接管的壁厚進行核算，接管小端處厚度的最低要求應是不小于在內壓和外壓作用下所需要的最小頸部厚度加腐蝕裕量。

另外，除用于進出和檢查的人孔、手孔及儀表接口等，其余接管都存在和外部管道連接的附加應力。在ASMEVIII-1對此有詳細的考慮，但在150中未提及。建議設計這類管口，尤其是外部應力較大的管口進行外部應力載荷的核算。

5　對所有參數均逼近可不另行補強的接管邊界條件時未進行核算

當所有參數均滿足GB150.2中第6.1.3條中規定的“不另行補強的最大開孔直徑”的所有條款時，絕大多數設計者會選擇不進行補強，SW6也會自動免除補強計算。

在制定該可不另行補強的條款時，主要考慮容器的殼體壁厚往往超出了實際需要，厚度的增加致使薄膜應力減小，最大應力值也相應的降低。這時候，容器已被整體補強，從而不需要再進行補強。同時，接管的壁厚也往往大于實際需要，多余的金屬已經起到了補強作用。再者，在滿足不另行補強的最大開孔直徑的要求時，其應力集中系數較低（一般在3.0以下）。

但當設計壓力接近2.5MPa，殼體材料富余量較少，且接管外徑較大時，即所有條件都逼近邊界條件時，不進行計算則存在一定的風險性，同時此時若按等面積法進行計算，計算結果常不合格。因此，當所有條件都逼近邊界條件時，此時Sw6會自動免除計算，因此建議在此情況下用等面積法手算進行校核。

6　結束語

正確的進行開孔補強計算，是壓力容器設計者應具備的基本素質。但在工程實踐中，卻常常會遇到考慮欠缺甚至錯誤之處，本文所提出的也僅僅是在實際工作中遇到的最常見的錯誤。造成這一問題的主要原因有兩點，一是壓力容器計算軟件智能化程度不足和國內標準距世界先進標準尚有一定距離：如用Sw6計算軟件雖十分便捷，但在很多容易出錯的地方欠缺必要的提示；又如GB150對一些細節問題未像ASMEVIII標準那樣做出詳細規定。另一原因是設計人員過于依賴計算軟件，未認真學習壓力容器的理論知識，造成設計人員整體理論水平逐年下降，甚至對計算原理已相當陌生。在呼吁軟件進行不斷改進，標準不斷進行更新完善的同時，也建議設計人員提高自身理論知識水平，以減少錯誤，降低設備風險。

［1］ 全國壓力容器標準化技術委員會.鋼制石油化工壓力容器設計規定［M］.北京：全國壓力容器標準化技術委員會，1985：135-159.

［2］ 李世玉.壓力容器設計工程師培訓教程［M］.北京：新華出版社，2005：206-212.

［3］ 鄭津洋，徐平，方曉斌，等.ASME 壓力容器設計指南［M］.北京：化學工業出版社，2004：90-100.

［4］ HG 21630—1990補強管［S］.

［5］ 劉建州.壓力容器開孔補強結構設計的商榷［J］.大氮肥，2010：33 （3）：174-180.

收稿日期：2016-05-06

作者簡介： 齊波（1983—），男，河北吳橋人，工程師，主要從事化工機械設備研究工作。

The Problem Which Should be Noticed When Calculate the Opening Reinforcement of Pressure Vessels with Equal Area Method

Qi Bo

Consolidated and analyzed the common errors and problems worth of attention when designers used the equal area method for calculation of pressure vessels openings and reinforcements.Then discussed the reasons and gave advice.

equal area method；opening reinforcement；pressure vessels

TQ 051.8

A

1003-6490（2016）05-0110-02

2016-04-15

李育文（1972—），男，廣東汕頭人，助理工程師，主要從事化工設備、壓力容器設計工作。