壓力容器等面積開孔補強技術(shù)在兩種規(guī)范中的比較

呂學(xué)魯

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1 等面積補強法的介紹

開孔補強的方法有等面積法和分析法，目前通用的、也是最早的開孔補強設(shè)計準則是基于彈性失效設(shè)計準則的等面積補強法，等面積補強法認為殼體因開孔喪失承載面積，須有補強材料在離孔邊一定距離范圍內(nèi)予以等面積補償，該方法是以雙向受拉伸的無限大平板上開有小孔時孔邊的應(yīng)力集中作為理論基礎(chǔ)的，即僅考慮殼體中存在拉伸薄膜應(yīng)力，且以補強殼體的一次應(yīng)力強度作為設(shè)計準則。

2 ASME Ⅷ-1-2017與GB 150-2011中等面積法部分條款比較

2.1 開孔尺寸上的比較

ASME 中提到當橢圓形開孔或長圓形孔的長徑超過2.0倍時，應(yīng)當增強短徑方向的補強，以避免由于扭轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的過度變形。而GB 150—2011中直接限制孔的長徑與短徑之比不應(yīng)大于2.0。顯然GB 150—2011比較嚴格，這么規(guī)定也是為了更安全考慮。

在圓筒、封頭、錐形殼體等部件上開孔尺寸的規(guī)定中，這兩個標準的規(guī)定也有點區(qū)別。

對于圓筒允許的最大開孔，按照GB 150—2011的規(guī)定，當Di=1500mm 時，允許的最大開孔直徑為520mm；當Di=1530mm時，允許的最大開孔直徑為510mm。可以看出筒體的直徑越大反而允許開孔的最大直徑卻越小，這和筒體直徑越大所允許的開孔也越大的常理相悖。按照ASME Ⅷ-1中的規(guī)定，上述兩個條件下的最大允許開孔都為510mm。顯然GB 150—2011的規(guī)定沒有ASME Ⅷ-1那么嚴謹。這是因為GB 150—2011主要參照ASME Ⅷ-1規(guī)范編寫的，2017版ASME Ⅷ-1規(guī)范剛發(fā)布不久，GB 150—2011還沒來得及更改。

2.2 免于補強規(guī)定上的比較

豁免補強的規(guī)定中，GB 150—2011認為在滿足一定壓力(P≤2.5MPa)條件下(其余條件見GB 150—2011，6.1.3條)，可不另行補強。也就是說殼體和接管本身的厚度超過了實際強度所需要的壁厚，殼體和接管上的這部分富裕金屬可以作為補強金屬，且滿足了開孔補強的要求，所以不需要再進行補強。而ASME Ⅷ-1規(guī)定的是不需要結(jié)構(gòu)自補強外的其他補強，它在免于補強的最大開孔和殼體及封頭的最小需要壁厚做了限制，這是因為容器厚度的增加使得沿容器壁厚方向的應(yīng)力梯度增大，開孔處局部出現(xiàn)的應(yīng)力集中系數(shù)更加增大，導(dǎo)致此處的應(yīng)力集中系數(shù)大于規(guī)范所采用的材料安全系數(shù)，且厚度越大，材料所呈現(xiàn)的脆性越大。所以ASME Ⅷ-1在不需要另行補強的最大開孔進行了限制。

GB 150—2011在不需要另行補強中規(guī)定開孔位置不得位于A、B 類焊接接頭上；而ASME Ⅷ-1中規(guī)定不需要結(jié)構(gòu)自補強外的其他補強的開孔可以位于B 類焊接接頭上，但開孔部位的焊縫應(yīng)滿足UG-51中規(guī)定的射線檢測要求，檢測長度應(yīng)為開孔直徑的三倍，開孔中心位于此長度中點，凡是被開孔去除的缺陷不作為評判焊縫合格與否的條件。

2.3 開孔所需補強面積計算公式的比較

容器殼體上的開孔導(dǎo)致垂直于應(yīng)力方向受力截面的削弱，在補強計算中需要計算這部分削弱的面積，及標準中給出的所需補強面積A，以便核算補強的面積能不能滿足補強要求。

比較以上(1)和(2)兩個公式，從中可以發(fā)現(xiàn)一個明顯的差異，那就是ASME Ⅷ-1在計算補強面積時引入了校正系數(shù)F，這一校正系數(shù)用于補償相對于容器軸線不同平面上內(nèi)壓應(yīng)力的變化。根據(jù)等面積法開孔補強理論，系數(shù)F 與通過開孔中的截面與殼體軸線的夾角θ的關(guān)系：F=0.5(cos2θ+1)。而GB 150—2011中沒有引入校正系數(shù)，或者說GB 150—2011中認為任一開孔受力截面的校正系數(shù)都等于1，即各個不同平面的應(yīng)力水平都相等。但實際上不同平面的應(yīng)力水平是不一致的，如只受內(nèi)壓的圓筒環(huán)向應(yīng)力引起的縱向截面應(yīng)力與縱向應(yīng)力引起的環(huán)向截面的應(yīng)力，縱向截面應(yīng)力約為環(huán)向截面應(yīng)力的兩倍。各個截面所受的應(yīng)力水平不一致導(dǎo)致各個截面所需的計算厚度也不一致，開孔補強所需的面積也不一致，開孔補強最終所考慮的面積是綜合各個不同截面上最大削弱面積。

而ASME Ⅷ-1中通過引入的校正系數(shù)F 解決了這個問題。校正系數(shù)給出了其他截面應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力的關(guān)系，從而可以算出各個截面上的計算厚度。

由上可知，當開孔為圓筒上的非圓斜開孔時，GB 150—2011在計算開孔補強所需面積時沒有ASME Ⅷ-1那么細致。

公式(1)和(2)的另外一個區(qū)別就是，在計算殼體和封頭厚度時，ASME Ⅷ-1中規(guī)定采用的焊接接頭系數(shù)規(guī)定為1；而GB 150—2011中采用的焊接接頭系數(shù)為殼體或封頭的實際焊接接頭系數(shù)，實際焊接接頭系數(shù)有可能是1，有可能比1小。因焊接接頭系數(shù)反映的是容器殼體的接頭處相對于母材的強度削弱成度，焊接接頭系數(shù)越小，削弱成度越大，所需補強面積就越大，固在其他條件一致的情況下，GB 150—2011需要的補強面積比較大，較為保守。

2.4 接管最小厚度計算比較

在開孔補強計算中，GB 150—2011在有效補強范圍和接管的內(nèi)外伸高度中提到了接管的名義厚度，但沒有給出如何確定接管的壁厚，在實際操作過程中，按照其承受的內(nèi)壓載荷利用內(nèi)壓筒體壁厚計算公式確定計算厚度，然后根據(jù)接管壁厚偏差和腐蝕裕量確定其名義厚度。

從上述規(guī)定可以看出，GB 150—2011和ASME Ⅷ-1在接管內(nèi)外伸高度取值上的區(qū)別比較大。GB 150—2011規(guī)定不管是內(nèi)伸還是外伸接管高度都不能大于接管實際內(nèi)外伸高度，這比較符合實際補強要求，而ASME Ⅷ-1在外伸接管高度確定時沒有考慮接管的實際外伸高度，那假如實際外伸高度比上述規(guī)定的外伸高度取值都低，補強計算卻取了一個較高值，造成所需補強面積偏大。另外GB 150—2011在計算高度時，沒有把接管的腐蝕裕量去掉，導(dǎo)致接管實際伸出長度偏高，有效補強面積虛高。而ASME Ⅷ-1在所有的計算取值過程中沒有包含腐蝕裕量和成形裕量，顯然ASME Ⅷ-1認為腐蝕裕量和成形裕量所包含的這部分金屬是不能作為有效的補強面積的，這樣的考慮比GB 150—2011更嚴密。此外，兩個標準都沒有提到對于殼體上的斜插接管或凸型封頭軸向開孔接管應(yīng)該怎么取接管的實際內(nèi)外伸高度值，本人認為對于這兩種接管應(yīng)該取接管內(nèi)外口離殼體或封頭內(nèi)外表面距離最短值分別作為接管實際內(nèi)外伸高度，該值應(yīng)該沿著接管壁測量。

3 結(jié)語

通過以上分析比較可以看出，ASME Ⅷ-1—2017《鍋爐壓力容器建造規(guī)范》和GB 150—2011《壓力容器》在等面積補強的部分條款上是有區(qū)別的。雖然這兩個標準在實際應(yīng)用中都不會出現(xiàn)問題，但二者各成一體，不能簡單地將GB150中的方法應(yīng)用到ASME 規(guī)范的容器上。在用等面積補強法進行開孔補強的設(shè)計過程中一定要明確是符合哪個設(shè)計規(guī)范，以保證設(shè)計安全及對使用標準的符合性。