壓力容器開孔補強方法
——等面積法與分析法

王 村

（江蘇四方鍋爐有限公司，徐州 221000）

1 壓力容器開孔邊緣存在的不同類型的應力

絕大多數的壓力容器，為達到生產和工藝要求，需要在容器上開設工藝管口以及人孔、手孔等檢查孔。由于開孔的原因使承壓金屬截面積減小，容器強度降低，結構的連續性遭到破壞，使開孔附近的應力值遠高于遠離開孔位置的部位。開孔接管處也有可能會受到多種外力作用。再加上材料自身的缺陷，制造過程中產生的缺陷，以及檢驗方法的不足等諸多因素綜合作用，導致設備失效很可能會從接管與設備連接的根部開始發生。開孔補強方法是否選擇正確直接影響設備投入生產之后是否能安全運行，達到預期壽命。

承壓設備開孔以后，在開孔邊緣存在三種不同類型的應力。

1.1 局部薄膜應力

壓力容器開孔以后，開孔邊緣應力分布相當不規則。在距離開孔中心較遠的地方，應力值變化幾乎可以忽略，在開孔邊緣應力增加很快，引起較大的局部薄膜應力。

1.2 彎曲應力

相貫的兩殼體在壓力載荷作用下，各自產生的徑向膨脹不一致。為克服相鄰構件之間形不協調，必然產生一組自平衡的邊界應力。該邊界力會在開孔邊緣及接管端部引起局部彎曲應力。

1.3 峰值應力

在殼體開孔邊緣與接管的連接處會產生一種分布范圍很小的超過一次應力和二次應力的應力值增量，該應力稱為峰值應力。

2 等面積法與分析法的比較

開孔補強是壓力容器設計中的一項重要內容。針對已有研究給出的兩種方法進行如下比較，以方便設計人員工作過程中對開孔補強方法進行合理選擇。

2.1 力學基礎

等面積法：基于受拉伸的無限大圓平板開小孔為理論基礎。

分析法：以彈性薄殼理論為基礎，是基于修正的Morley方程，使圓柱殼開孔接管的解適用于大開孔

2.2 補強準則

等面積法：由于開孔的原因，殼體的承壓金屬截面積減小，應以相等的面積對開孔部位予以補強。補強材料的許用應力值小于殼體材料時，按殼體材料和補強材料許用應力的比值增加補強面積；反之，所需補強面積不得減少。

分析法：分析法是基于塑性極限和安定性分析得出，通過保證一次加載時有足夠的塑形承載能力以及多次加載時有足夠的安定性來保證開孔安全。

2.3 適用壓力范圍

等面積法：適用于內壓和外壓容器的開孔補強計算。分析法：僅適用于內壓容器開孔補強計算。

2.4 適用開孔位置

等面積法：可用于筒體、凸形封頭、錐殼、球形封頭、平蓋等的開孔補強計算。

分析法：僅適用于在圓柱殼體上的開孔補強計算。

2.5 開孔角度要求

等面積法：適用于徑向開孔或斜向開孔的補強計算，單個開孔或多個開孔（聯合補強）也適用，且內伸接管和外伸接管均可計算。

分析法：只能用于徑向接管的開孔補強計算，且僅能用于外伸接管，對于帶有徑向內伸的接管，在計算中應忽略接管的內伸部分。

2.6 結構限制及不適用場合

等面積法：容器的設計壓力小于6.4MPa；容器的設計溫度不大于350℃；容器殼體開孔處名義厚度不大于的38mm；容器殼體材料標準抗拉強度下限值小于等于540MPa；補強圈厚度不大于1.5倍殼體開孔處名義厚度。

不推薦用于盛裝極度高度危害介質的容器，也不推薦用于鉻鉬鋼制壓力容器。補強圈不能與殼壁完全貼合，整體性、抗疲勞性差。補強圈與殼壁之間存在空氣間隙，傳熱效果差，會產生溫差應力。焊接過程中，容器器壁對焊縫金屬具有很大約束作用，妨礙其冷卻收縮，焊根處易出現焊接裂紋。強度越高的材料對焊接裂紋越敏感，所以，材料強度級別較高時亦不宜適用補強圈。當補強圈的厚度較大時，角焊縫過大，不連續應力很大，因此，不適宜用于補強圈厚度較厚的工況。

分析法：模型是假定接管和殼體是連續的整體結構，補強圈結構無法達到這一要求，因此，不能用于補強圈補強的結構形式。

2.7 開孔尺寸要求

等面積法：等面積法主要用于承壓設備的殼體和封頭的圓形、橢圓形以及長圓形開孔。若殼體上開孔形狀為橢圓形或長圓形時，孔長徑比應不大于2.0。

（1）筒體內徑小于等于1500mm時，開孔最大直徑小于等于Di/2，且不大于520mm；當圓筒內徑大于1500mm時，開孔最大直徑小于等于Di/3，且不大于1000mm。

（2）凸形封頭或球形封頭開孔的最大允許直徑小于等于Di/2。

（3）錐形封頭開孔的最大直徑小于等于Di/3，Di為開孔中心處的錐殼內直徑。

分析法：d≤0.9D，且max[0.5,d/D]≤δet/δe≤2

2.8 局限性

等面積法：對開孔邊緣處的二次應力的安定性問題是通過限制開孔形狀和開孔范圍間接的進行考慮，使孔邊緣處的局部應力能夠得到一定控制。長期使用經驗證明該方法在允許范圍內，開孔邊緣安定性能夠得到保證。未考慮開孔邊緣的峰值應力，所以等面積法不適用于承受循環載荷的疲勞容器的開孔補強。

粗略的認為補強范圍內補強金屬均勻分布，降低了孔邊緣的應力集中狀況；忽視了開孔處應力集中情況和開孔系數的影響。相同的開孔直徑，殼體直徑越大，因開孔開導致的強度削弱就越小，反之，殼體直徑越小，開孔率就會變大，削弱也大。等面積法有時富裕量大，有時會顯得不足；認為殼體的高應力處一直在YZ截面處，而實際上在一定條件下，接管壁厚大于殼體壁厚超過一定范圍后，高應力點會偏移YZ截面。

分析法：分析法的設計準則與彈性名義應力分類法和等面積法都有所區別，該補強方法不能用于補強計算。

不能用于聯合開孔補強，當圓筒具有兩個及兩個以上開孔時，相鄰兩孔邊緣的距離不得小于2(Dδn)0.5；圓筒、接管或補強件的材料，其標準室溫屈服強度與標準抗拉強度下限值之比Rel/Rm≤0.8；分析法曲線族中的每根曲線的起始點和結束點都代表一定適用范圍的界限，不得對分析法曲線族中的任一曲線進行外延，否則最大應力點將偏離理論考核點。這樣就造成很多時候雖然滿足尺寸要求，但無法計算的情況。

2.9 結構和檢驗的特殊要求

等面積法：容器上的開孔宜避開容器焊接接頭。若焊縫位于補強范圍內時，應對焊縫提出附加檢驗要求，以開孔中心為圓心，開孔直徑為半徑的范圍內的焊接接頭不得存在任何超標缺陷。因此，應對補強范圍內的容器焊接接頭進行全部無損檢測，檢測要求同容器的主體A、B類焊接接頭的檢測要求一致。

分析法：接管或補強件與殼體之間的焊接應采用全截面焊透的焊接形式，從而保證補強結構的整體受力；對圓筒或接管做整體補強，應滿足補強范圍尺寸要求，或對圓筒壁進行整體加厚，有效補強范圍內的A、B類焊接接頭不得存在任何超標缺陷，必要時對此增加無損檢測的要求；圓筒和接管之間角焊縫的焊腳尺寸應分別不小于δn/2/和δnt/2，接管內壁與圓筒內壁交線處圓弧半徑在δn/8～δn/2。

3 結語

等面積補強法是世界各國沿用較久的一種開孔補強方法，根據大量的工程實踐得出的經驗方法。經過長期使用，證明該方法安全可靠，簡單易行。在中低壓容器的開孔補強中得到廣泛應用。

對開孔率較大的設備進行等面積法補強計算時，由于等面積法未考慮開孔邊緣處的局部高應力問題，只是對有效開孔范圍內的整個界面進行平均補強，因此，開孔邊緣的高應力引起的安定性問題，無法考核，此時應選擇分析法。

對開孔率較大的設備進行補強，等面積補強方法偏不安全，并且此時彎曲應力亦不能忽略。

開孔補強方法的正確選擇是壓力容器設計人員必備的能力，需要設計人員根據具體工況，進行認真分析。