基于規則設計的壓力容器大開孔強度計算程序編制①

孟 巖

(沈陽鼓風機集團股份有限公司)

基于規則設計的壓力容器大開孔強度計算程序編制①

孟 巖

(沈陽鼓風機集團股份有限公司)

沈陽鼓風機集團股份有限公司現有壓力容器設計軟件是基于GB 150標準編制的，對開孔率超出0.5的大開孔結構無法進行計算。針對此，對比研究了國外標準的規則設計法，并以此為理論基礎，在Excel中編制強度計算程序。該程序共涵蓋兩套標準算法(ASME BPVC 2015和ΓOCT 24755)，可快速計算并進行結果對比，且已成功應用于數臺大開孔結構的強度設計。

壓力容器 大開孔 強度 規則設計 ASME BPVC 2015 ΓOCT 24755

壓力容器的可靠運行對石化、能源、科研和軍工領域都有著十分重要的意義。壓力容器筒體上大開孔補強是壓力容器設計的關鍵[1，2]。通常來講，壓力容器設計有兩個途徑，即規則設計(歐盟稱公式設計)和分析設計。規則設計依據彈性失效準則，屬于經驗設計范疇，方便快捷，占主導地位，缺點是比分析設計保守[3，4]。

筆者所在公司現有的壓力容器設計軟件是基于GB 150標準編制的。它規定內徑在1 500mm以內的容器開孔不能超過內徑的一半，且同時不能超過500mm；內徑超過1 500mm的容器開孔不能超過內徑的1/3，且同時不能超過1 000mm[5]。隨著近年來容器設備的規格逐漸增大，對外接口的直徑也越來越大，這一限定已滿足不了開孔的需求。

相比國內其他行業標準，JB 4732已許久未升版(目前最新的是2005年確認版)[6]，由于成文太久，安全系數太高，可參考價值不大。例如對一次膜應力校核時，要求小于0.90σs，而ASME BPVC-VIII-2015標準已更新為0.95σs[7，8]；對一次膜加彎應力校核時，根據實際膜應力值，分別要求小于1.35σs或2.15σs與1.2倍一次膜應力之差，而ASME已相應更新為1.43σs或2.43σs與1.5倍一次膜應力之差。

在查詢國外標準解決方案時，除ASME標準外，筆者還在欒春遠的兩本著作中了解到俄羅斯壓力容器國家標準，他認為該標準所載的補強面積法要優于ASME所載壓力-面積應力法[9，10]。為使計算程序涵蓋的理論更廣泛，更具研究價值，筆者將兩個標準中的公式都編入Excel中。程序中的參數形式參照ASME PTB-4-2013標準[11]中的范例格式，確保了參數輸入形式的專業性。

1 ASME計算程序

1.1理論公式

根據ASME標準的規則設計步驟，并從中將厚度附加裕量提取出來，對公式進行適當變形：

a. 確定筒體有效半徑。Reff=0.5(Di+2c)。

b. 計算沿筒壁的補強極限。這部分ASME分為兩種計算方法，分別是整體補強接管和帶補強圈的接管，這兩種計算方法又針對接管嵌入式和外裝式有不同的公式，根據當前結構形式選取公式LR=min[(Reff(t-c)0.5，2Rn]。

c. 計算沿接管壁的補強極限。ASME在這部分與下一步分別計算了筒體內、外表面接管壁的補強極限，根據當前結構形式選取公式，LH=min[1.5×(t-c)+(Rn×(tn-c′))0.5，Lpr1，8(t-c)]+(t-c)。

d. 計算開孔附近的可用面積。首先計算金屬非線性系數和接管材料因子，λ=min[(2Rn+tn-c′)/((Di+t-c) ×(t-c))0.5，12.0]，frn=min[sn/s，1]，計算殼體貢獻補強面積A1=(t-c) ×LR×max[(λ/5)0.85，1.0]，計算筒體外側接管貢獻補強面積A2=(tn-c′) ×LH，計算焊接貢獻補強面積A41=0.5×L412，計算總補強面積AT=A1+frn×A2+A41。

e. 計算受力。首先計算用于力的計算的接管半徑和筒體半徑Rxn=(tn-c′)/ln[1+(tn-c′)/Rn]，Rxs=(t-c)/ln[1+(t-c)/Reff]，ASME標準中對偏心開孔的計算，體現在開孔處弦長公式上，為計算弦長公式，先計算夾角。在計算程序中設置了條件判別，通過識別偏心開孔的偏心距取值來進行公式篩選，θ1=arccos[Dx/Reff]，θ2=arccos[(Dx+Rn)/Reff]；計算開孔處長弦半徑，當Dx=0時，Rnc=Rn，否則，Rnc=max[Reff×(θ1-θ2)/2，Rn]，計算筒體外側接管受內壓作用力fN=p×Rxn×LH，計算筒體受內壓作用力fS=p×Rxs×(LR+tn-c′)，計算內壓引起的不連續力fY=p×Rxs×Rnc。

f. 計算膜應力。計算開孔處平均局部主要膜應力σavg=(fN+fS+fY)/AT，計算開孔處總體主要膜應力σcirc=p×Rxs/(t-c)，計算最大局部主要膜應力PL=max[(2×σavg-σcirc)，σcirc]。

g. 結果評定。首先計算接管口局部許用膜應力Sallow=1.5×S×E，所計算的最大局部主要膜應力需滿足PL≤Sallow。

ASME標準中的符號說明如下：

A1——殼體貢獻補強面積；

A2——筒體外側接管貢獻補強面積；

A41——焊接貢獻補強面積；

AT——開孔附近的可用總面積；

c——筒體壁厚附加量；

c′——接管壁厚附加量；

Di——筒體內徑；

Dx——偏心開孔偏心距；

E——焊接強度系數；

frn——接管材料因子；

fN——筒體外側接管受內壓作用力；

fS——筒體受內壓作用力；

fY——內壓引起的不連續力；

L41——接管與筒體間焊腳長度；

Lpr1——筒體外側的接管長度；

LR——沿筒壁的補強極限；

LH——沿接管壁的補強極限；

p——計算壓力；

PL——最大局部主要膜應力；

Reff——筒體有效半徑；

Rn——接管內半徑；

Rnc——開孔處長弦半徑；

Rxn——用于力的計算的接管半徑；

Rxs——用于力的計算的筒體半徑；

s——計算溫度下筒體材料許用應力；

sn——計算溫度下接管材料許用應力；

Sallow——接管口局部許用膜應力；

t——筒體名義壁厚；

tn——接管名義壁厚；

θ1——偏心開孔時角一；

θ2——偏心開孔時角二；

λ——金屬的非線性系數；

σavg——平均局部主要膜應力；

σcirc——總體主要膜應力。

1.2程序編制

應用Excel軟件編制程序界面，使用者在黃色區域輸入設計參數后，計算結果便會立刻在結 論區顯示出來。當結果滿足要求時，效果如圖1所示，在最底行顯示出綠色和“滿足標準要求”的黑色加粗字體；當結果不滿足要求時，效果如圖2所示，在最底行顯示出紅色和“不滿足標準要求”的黑色加粗字體。

圖1 結果滿足要求時的界面

圖2 結果不滿足要求時的界面

2 ΓOCT 24755計算程序

2.1理論公式

俄羅斯聯邦國家標準ΓOCT 24755計算步驟如下：

a. 計算壁厚。筒體的計算壁厚計算式為sp=p×Dp/(2×[σ] ×φ-p)，無論對受內壓，還是受外壓的接管，其計算壁厚s1p=p(d+2×cs)/(2×[σ]1×φ1-p)。

b. 計算接管長度。標準中給出了參與開孔補強接管在殼體內、外側的計算長度公式，根據當前結構形式選取公式l1p=min{l1；1.25[(d+2cs)×(s1-cs)]0.5}。

c. 計算寬度。在圓筒、錐殼過渡段和封頭上補強區域的寬度L0=(Dp(s-c))0.5。

d. 計算許用應力比。接管外側部分的許用應力比χ1=min{1.0；[σ]1/[σ]}。

e. 不要求補強的開孔計算直徑。這是該標準的一項獨特技術，在沒有多余壁厚的條件下，當開孔尺寸小于這一計算值時，開孔不需要進行補強計算，不要求補強的開孔計算直徑d0p=0.4×(Dp(s-c))0.5。

f. 不要求補強的單個開孔計算直徑。如果相鄰兩個接管外表面之間的距離滿足計算寬度之和，則該標準認為兩個開孔彼此不產生影響，認為可按照單個開孔的計算式進行后續計算。筆者所在公司的容器開孔在同一內徑的圓筒上，故這個距離小于兩倍的計算寬度就認為可按照單開孔進行后續相應計算，條件式為b≥2×(Dp(s-c))0.5，在容器存在多余壁厚的條件下，不要求額外補強的單個開孔計算直徑d0=2×[(s-c)/sp-0.8] ×(Dp(s-c))0.5，當單個開孔的計算直徑小于d0時，則后續的開孔補強計算不必進行。

g. 計算補強面積。采用增加容器或接管壁厚，或采用補強圈，或采用折邊式嵌入環，或采用在開孔處殼體翻邊等補強結構時，均按以下計算式計算，當前結構狀態所能貢獻的補強面積為lip×(s1-s1p-cs) ×χ1+L0×(s-sp-c)，當前結構所需補強面積為0.5×(dp-d0p) ×sp，其中dp包含徑向開孔和偏心開孔(在該標準中稱為切向開孔)，dp=max{d；0.5t}+2×cs。

h. 結果評定。要滿足補強合格條件，貢獻補強面積需要不小于所需補強面積，即補強面積要有裕量，即lip×(s1-s1p-cs) ×χ1+L0×(s-sp-c)-0.5×(dp-d0p) ×sp≥0。

俄羅斯聯邦國家標準中的符號說明如下：

b——兩接管外表面間的最近距離；

c——筒體壁厚總附加量；

cs——接管壁厚總附加量；

d——接管內徑；

d0——不要求補強的單個開孔計算直徑；

d0p——不要求補強的開孔計算直徑；

dp——開孔計算直徑；

Dp——筒體內徑；

l1——接管名義長度；

l1p——接管計算長度；

L0——筒體補強寬度；

p——計算壓力；

s——筒體名義壁厚；

sp——筒體計算壁厚；

s1——接管名義壁厚；

s1p——接管計算壁厚；

t——接管開孔處弧長；

[σ]——計算溫度下筒體材料的許用應力；

[σ]1——計算溫度下接管材料的許用應力；

χ1——許用應力比；

φ——筒體焊縫強度系數；

φ1——接管焊縫強度系數。

2.2程序編制

應用Excel軟件編制程序界面，當結果滿足要求時，效果如圖3所示，在最底行顯示出綠色和“滿足標準要求”的黑色加粗字體；當結果不滿足要求時，效果如圖4所示，在最底行顯示出紅色和“不滿足標準要求”的黑色加粗字體。

圖3 結果滿足要求時的界面

圖4 結果不滿足要求時的界面

3 對比研究

在同等設計條件下，根據俄羅斯聯邦國家標準ΓOCT 24755所計算的壁厚要薄于根據ASME標準計算的壁厚，由此可認為ASME更保守，俄羅斯標準更節約材料。

在此選取一組相同設計數據，即結構尺寸、受力條件、材料及焊接工藝等完全統一。其計算結果如圖5、6所示。

圖5 ASME程序結果

圖6 ΓOCT 24755程序結果

程序中選取恰好能通過兩項標準最低限度的整數壁厚。ASME計算結果為：筒體與接管均需33mm；ΓOCT 24755計算結果為：筒體與接管均需29mm。故單純從壁厚角度來講，ΓOCT 24755標準要比ASME標準節約10%以上的材料資源。

4 結論

4.1為滿足壓力容器大開孔強度計算需求，借助國外標準規則設計方法編制Excel計算程序，使用方便，結果精確，已應用于多臺壓力容器大開孔結構的強度設計。

4.2程序中涵蓋了ASME BPVC 2015和ΓOCT 24755兩套標準，可方便對比不同標準的計算結果，使計算結果更具研究價值。

4.3通過選取一組相同設計參數來對比兩個標準的計算結果，發現僅從從壁厚角度來講ΓOCT 24755標準要比ASME標準節約10%以上的材料資源。

[1] 劉景亮，劉寶慶，陳志平，等.壓力容器風險評估的技術進展及報告編制[J].化工機械，2013，40(3)：273～279.

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[3] 沈鋆，李濤.壓力容器分析設計規范進展介紹與修訂探討[J].化工機械，2016，43(5)：561～566.

[4] 張倩，劉義.有限元方法在壓力容器強度分析與疲勞壽命計算中的應用[J].化工機械，2016，43(4)：508～512.

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[10] 欒春遠.壓力容器全模型ANSYS分析與強度設計新規范[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[11] ASME PTB-4-2013，ASME Section VIII-Division 1 Example Problem Manual[S].New York：The American Society of Mechanical Engineers，2013.

2017-01-13)

(Continued from Page 476)

AbstractThe type test and inspection items of pressure pipes and fittings stipulated in “TSG D7002-2006 Pressure Piping Components Type Test Specification” were discussed to show that, some content descriptions of inspection items stipulated in TSG D7002-2006 Specification are ambiguous. The items listed without any explanation or paraphrases can incur divergence in correctly understanding the test and inspection items and controversy over the type test. Basing on work experiences, revision suggestions and concrete methods for test and inspection items were proposed to benefit the type test and inspection items of pressure pipes and fittings.

KeywordsTSG D7002-2006，pressure pipes and fittings, type test

ProgramsforPressureVesselswithLargeOpeningBasedonRuleDesign

MENG Yan

(ShenyangBlowerWorksGroupCorporation)

Considering the fact that GB 150 standard-based design software for pressure vessels fails to calculate the structure with large opening beyond 0.5 and through comparative study on the rule design abroad and basing on them theoretically, having strength calculation program worked out in Excel was implemented. This strength calculation program referring to ASME BPVC 2015 and ΓOCT 24755 can work quickly and compare the results simultaneously. It has been successfully applied in calculating the strength of the structure with large openings.

pressure vessel, large opening, strength, rule design, ASME BPVC 2015, ΓOCT 24755

孟巖(1980-)，高級工程師，從事離心式壓縮機力學分析工作，m_sfyan@yahoo.com.。

TQ051.3

A

0254-6094(2017)05-0523-05