壓力容器殼體開孔允許不另行補強要求條件的分析

吳夢楚

西北大學 西安 710075

壓力容器殼體開孔允許不另行補強要求條件的分析

吳夢楚*

西北大學 西安 710075

為滿足工藝操作、容器制造、安裝、檢驗及維修等要求，在壓力容器上開孔是不可避免的，由此，開孔補強是壓力容器設計和計算的重要組成部分。在《壓力容器》GB150.3-2011 的6.1.3 章節中給出了壓力容器殼體開孔允許不另行補強要求條件，本文對標準中的要求進行了深入分析，以幫助壓力容器工程設計人員更好地理解標準中該部分的內容。

壓力容器 開孔 不另行補強條件

壓力容器上的開孔接管對容器所引起的問題主要有三個方面：① 因開孔而導致容器組件承載力截面積的削弱；② 因開孔而造成孔邊的應力集中；③ 接管和殼體構成了不連續結構，從而在接管的一定長度范圍和殼體孔邊附近一定范圍內引起附加的邊緣應力。

《壓力容器》GB 150.3-2011中6.1.3不另行補強的最大開孔直徑規定殼體開孔滿足下述全部要求時，可不另行補強：① 設計壓力P≤2.5MPa；② 兩相鄰開孔中心距(對曲面間距以弧長計算)應不小于兩孔直徑之和；對于3個或以上相鄰開孔，任意兩孔中心間距(對曲面以弧長計算)應不小于該兩孔直徑之和的2.5倍；③ 接管公稱外徑小于或等于89mm；④ 接管壁厚滿足表1要求，表中接管壁厚的腐蝕余量為1mm，需要加大腐蝕裕量時，應相應增加壁厚；⑤ 開孔不得位于A,B類焊接接頭上；⑥ 鋼材的標準抗拉強度下限值Rm≥540MPa時，接管與殼體的連接宜采用全焊透的結構形式。

表1 接管外徑在指定的接管壁厚內不另行補強 (mm)

以下對這些限制條件的原因做出分析和探討。

1 不另行補強的條件的總體原因分析

《壓力容器》GB 150根據設計壓力、開孔間距、接管外徑、接管厚度、材質以及焊接質量，規定不另行補強的條件。并明確接管不得位于筒體A、B類焊接接頭上，主要基于以下考慮：

(1)容器產品的殼體厚度往往超過實際強度需要。這種情況下，可看作容器已被整體加強。

(2)在通常設計條件下，接管的最小壁厚往往多于實際需要，多余的金屬已經起到補強作用。

(3)大量的實驗得出，受壓殼體應力集中系數的計算式為：

式中：dop為開孔直徑，mm；Di為圓筒內直徑，mm；δ為殼體開孔處的計算厚度，mm。

可見，隨著接管開孔直徑的減小，應力集中系數降低，表1給出了接管外徑不超過89mm的不另行補強所對應的接管厚度。

限制或考慮開孔中心間距，是為了防止孔邊局部應力分布區域的疊加。

不另行補強是針對等面積法制定的，即其應用的前提條件必須滿足GB 150.3-2011中“6.1.1等面積法適用范圍”的開孔;也不適用于所處幾何變化較大、應力較復雜的位置開孔，如存在其他載荷(軸向載荷、彎矩、扭矩)，則等面積法不再適用。

表1中按照常用接管規格列出接管外徑和所需最小厚度，考慮接管的腐蝕裕量為1mm。其中的接管外徑指一個范圍，當接管外徑介于同一壁厚中最小和最大外徑之間時都可以免于補強，例如：Φ34×3.5可以免于補強。當實際腐蝕裕量大于1mm時，表1中的接管厚度應相應增加，但當腐蝕裕量小于1mm時，接管壁厚不應減少。

當開孔不可避免地需位于A、B類焊接接頭上時，必須進行補強計算，并應滿足《壓力容器》GB 150.3-2011中6.1.4開孔附近的焊接的焊接接頭“容器上的開孔宜避開容器焊接接頭。當開孔通過或臨近容器焊接接頭時，則應保證在開孔中心的2dop范圍內接頭不存在有任何超標缺陷”。為此，設計應考慮必要的檢測手段并在設計文件中注明。

2 孔邊應力分析和應力集中的局限性

2.1 孔邊應力分布

圖1 平板開小圓孔受單向拉伸

板中的應力分量可用彈性力學解出：

在孔邊緣處r=a時，

σr=0τrθ=0

當θ=±π/2時，

σθmax=3σ

當θ=0，π時

σθmin=σ

在雙向拉伸下，板中承受的兩向應力，孔邊應力可按單向拉伸疊加起來而得：

σθ=3σ-σ=2σ

此時孔邊應力分布見圖2。

圖2 孔邊應力分布

對于壓力圓筒部分開孔受雙向拉伸，見圖3。

圖3 壓力圓筒部分開孔受雙向拉伸

其徑向薄膜應力僅為周向薄膜應力的一半，其σx、σy值分別為：

式中，P為設計壓力，MPa；R為容器半徑，mm； S為容器壁厚，mm。

采用同理疊加方法，此時孔邊應力為：

當θ=0，π時，

σθ=3σy-σx=2.5σy

當θ=±π/2時，

σθ=3σx-σy=0.5σy

根據上式，可以看出，筒體開小孔后邊緣應力的峰值出現在筒體徑向截面上，且為σθ=2.5σy，即應力集中系數k：

壓力容器設計中，圓筒中環向薄膜應力σ是控制在一倍[σ]以下，根據安定性準則，對局部應力σθmax<3[σ]，容器在加載、卸載過程中不會出現應力循環，可以認為孔邊應力的穩定是能得到保障的。

2.2 應力集中的局限性

由前述平板開孔的應力分量公式可得，當θ=±π/2時 ，孔邊應力沿半徑方向的變化為：

當r=a,2a, 3a時(a為開孔半徑，且≤89/2mm),各點的應力相應為σmax=2.5σ,1.23σ，1.09σ,見圖4。

圖4 孔邊峰值應力分布

由圖4可見，孔邊峰值應力隨著離開孔邊的距離迅速衰減，也即孔邊的高應力區非常的狹窄，這就有利于進行局部補強。

3 允許不另行補強的各項原因

壓力容器開孔后，允許不另行補強的條件是基于以下各項原因：

(1)開孔會使壓力容器器壁整體削弱，還在孔邊產生局部應力集中，但開孔越小，整體削弱的程度越輕。局部應力集中的區域也越小，相對而言，開孔周圍也有更多材料的彈性包圍而減輕削弱。

(2)壓力容器在設計和制造中，由于各種原因，殼體的厚度往往會超過實際強度的需要。容器壁的厚度的增加，則薄膜應力相對減小，且相應孔邊最大應力值降低。這種情況實際使容器在一定程度上已被整體加強，從而增添不必另行補強的條件。殼體壁厚的實際富余可能來自于幾個方面：① 由于鋼板厚度規格的分級限制，使容器設計時因圓整而增加厚度； ② 對焊接園筒體或封頭，因焊接接頭系數<1使壁厚增加，而實際開孔并不位于焊接接頭上時，該處實際已起到整體補強作用；③ 標準橢圓封頭的強度往往比圓筒體大，若采用封頭與筒體等厚鋼板，則封頭上應力將相應減小，這時封頭也有一定程度的整體補強。

(3)容器上開孔接管的壁厚也常多余實際需要，多余的部分也起到了補強作用，故對較小的口徑的開孔可以不必另行補強。

(4)兩相鄰孔中心間距遠大于孔邊峰值應力衰減范圍時，應力集中區就不會因相互重疊而照成局部應力增大。

(5)容器的設計壓力越低，開孔削弱帶來的危害性相對越小。

因此，只要設計中同時執行允許不另行補強的各項條件，開孔后不作另行計算和補強仍然是安全的。

4 允許不另行補強條件中開孔間距要求

在石油化工裝置的容器中，某些中間容器往往要接受來自各個工藝系統的物料作為中間貯存，管口數量之多會在筒體上構成密集分布，控制任意相鄰管孔的中心間距問題在設計中顯得特別突出。

(1)兩相鄰開孔中心間距條件的分析。孔邊峰值應力的衰減情況和兩孔中心間距L≥2.5(d1+d2)的條件，我們假設筒體上3個或以上的開孔，孔徑相同。則任意兩孔間的應力分布見圖5 。

圖5 筒體任意兩孔間的應力分布

從圖中可見，兩孔孔邊應力衰減區之間存有2a的距離，應力近似于基本薄膜應力σ的水平段。無論從開孔補強的有效寬度B=2d=4a的規定，或是從孔邊應力衰減區2a+2a=4a 考慮，重疊區域的應力疊加未超過孔邊緣的最大值2.5σ。在滿足其他條件下，允許不另行補強條件之一的，《壓力容器》GB 150.3-2011中的條件已修正為兩相鄰開孔中心距(對曲面間距以弧長計算)應不小于兩孔直徑之和；對于3個或以上相鄰開孔，任意兩孔中心間距(對曲面以弧長計算)應不小于該兩孔直徑之和的2.5倍。

對應國外相應規范[2,3]的規定，在壓力容器常規設計中對于3個或以上的開孔，滿足不另行補強的要求時，對于在圓筒型殼體或者錐殼上開孔，其任意兩孔的中心間距應滿足L≥(1+cosθ)d1+d2(θ為開孔中心連線與殼體縱軸間的夾角)，在通常垂直殼壁開孔的情況下時，即得到L≥d1+d2,即滿足要求。因此，在本文所述的容器圓筒體上密集開孔，若控制相鄰兩孔中心間距l≥d1+d2，應該仍是安全的，《壓力容器》GB 150.3-2011版本標準對比GB 150-1998版本標準,關于不另行補強的條件的細化修正是合理的，這對遇到密集布置的小直徑接管開孔，可以更加有效地利用空間，從而減免開孔補強計算，加快設計速度。

(2)目前在設計中尚需盡可能將開孔間距調整到現行規范的規定值，若其他條件均能滿足而兩孔中心間距確實無法達到要求時，則需增加開孔補強計算，按計算結果確定另行補強與否。

5 結語

不需另行補強的原因主要還是考慮開孔處峰值應力的局限性和衰減性。開孔附近的峰值應力不會引起殼體整體屈服，要保證容器安全必須對應一定限制，因此標準才設置了適用條件。

當開孔接管完全滿足《壓力容器》GB 150.3的6.1.3條款不另行補強最大開孔直徑條件，標準不要求進行補強計算。若不能滿足標準中所列的全部條件，應進行補強計算，需要另行補強時，應按標準要求予以補強。

1 GB 150-2011，壓力容器[S].

2 ASME Ⅷ-Ⅰ，壓力容器建造規則[S].

3 ASME Ⅷ-Ⅱ，壓力容器建造另一規則[S].

2017-03-28)

*吳夢楚：本科在讀。2014年就讀于西北大學化工學院過程裝備與控制工程專業。聯系電話：15667070102， E-mail:wumc0719@sina.com。