淺談外壓圓筒大開孔補強計算

吳朝

摘 要：GB/T150.3-2011《壓力容器》中沒有外壓圓筒的大開孔補強計算，通常大家都是按HG/T20582-2011《鋼制化工容器強度計算規(guī)定》中“第7章 大開孔的補強計算”進行補強計算，而有人對該標準的計算提出了疑問。本文對外壓圓筒的大開孔補強計算進行了分析，供相關人士參考。

關鍵詞：外壓圓筒大開孔補強;等面積補強法;壓力面積補強法

外壓圓筒大開孔補強計算在GB/T150.3-2011《壓力容器》中并沒有給出計算方法，而按HG/T20582-2011《鋼制化工容器強度計算規(guī)定》標準計算，其安全性有人提出了疑問。為了分析該計算方法是否安全，文章從以下幾個方面進行討論。

1 外壓圓筒大開孔補強計算方法的適用性

在GB/T150.3-2011《壓力容器》中外壓圓筒的開孔補強采用等面積補強法計算，而等面積補強法有適用范圍，對于外壓圓筒上的開孔最大直徑dop>Di/2的補強計算不適用等面積補強法，因而GB/T150.3-2011中沒有給出其計算方法。在實際壓力容器設計過程中，外壓圓筒上的開孔最大直徑dop>Di/2的補強計算可以按HG/T20582-2011《鋼制化工容器強度計算規(guī)定》中“第7章 大開孔的補強計算”進行補強計算。在本標準第7章中的7.1.2條明確規(guī)定“本章適用于殼體承受內(nèi)壓的開孔補強，也可用于殼體承受外壓的情況，承受外壓時，可將外壓作為內(nèi)壓，按承受內(nèi)壓的開孔補強方法進行補強計算。”該標準的開孔補強計算采用的是壓力面積補強法。有人對此提出了質(zhì)疑，對于圓筒來說，承受內(nèi)壓和承受外壓時失效模式不一樣，計算厚度也不一樣，怎么在承受外壓時，可將外壓作為內(nèi)壓，按承受內(nèi)壓的開孔補強方法進行補強計算呢？這樣進行補強計算安全嗎？下面將分別從等面積補強法和壓力面積補強法的計算模型來討論這個問題。

2 等面積補強法的理論分析

等面積補強法是以受拉伸的開孔大平板作為計算模型的，即僅考慮拉伸薄膜應力對容器殼體的影響，且是以補齊開孔后殼體上一次總體平均應力的減少為原則的。當殼體上的開孔較小時，開孔邊緣主要是產(chǎn)生薄膜應力，因此上述假設可以適用。但隨著殼體開孔直徑的增大，開孔邊緣不僅存在薄膜應力，而且還產(chǎn)生很大的彎曲應力，因而要對該方法的開孔最大直徑加以限制。

對于承受外壓的圓筒，失穩(wěn)時表現(xiàn)為周向彎曲，因此外壓圓筒上開孔的補強與圓平板上的開孔補強相同。圓平板在壓力作用下產(chǎn)生一次彎曲應力，開孔后抗彎強度受到削弱。因此，對于圓平板上的開孔補強原則為：補強后圓平板的彎曲強度與開孔前保持不變。當圓平板上的開孔直徑大于直徑的一半時，圓平板已趨向圓環(huán)，其受力狀況與圓環(huán)相近，應按法蘭進行計算，再用等面積補強法計算就不合適了。事實上，由于開孔處總存在接管，接管的存在會加強開孔處筒體抵抗外壓失穩(wěn)的能力，對帶有接管的筒體在接管處的穩(wěn)定性計算，并不是簡單的以抗彎截面系數(shù)來表示的。

3 壓力面積補強法的理論分析

壓力面積補強法是以壓力載荷的面積和殼體、接管、補強件的承載橫截面積之間相互平衡為基礎的，即由壓力載荷的面積對壓力乘積所表示的載荷和殼體、接管、補強件承載橫截面積對材料許用應力的乘積之間相互平衡，亦即以特定的壓力載荷面積來計及因開孔而引起的應力集中。其補強范圍根據(jù)孔邊應力集中的衰減范圍由確定。對于承受外壓的圓筒，壓力面積補強法鑒于在開孔接管處雖然因開孔而對筒體的抗彎截面系數(shù)有所削弱，但由于總存在接管而對開孔處筒體的抗彎截面系數(shù)有所加強，所以并不會影響開孔處筒體抵抗外壓的能力。因此，外壓圓筒開孔補強計算采用壓力面積補強法時，要關注的是由于開孔而引起的應力集中。此時，外壓圓筒開孔補強計算要保證的是開孔處筒體的強度，而不是要保證開孔處筒體的穩(wěn)定性，因此只需和內(nèi)壓筒體采用同樣的設計方法。當然，開孔處筒體厚度應滿足穩(wěn)定性設計要求。根據(jù)對壓力面積補強法的這一分析，才有了HG/T20582-2011標準第7章《大開孔的補強計算》中“承受外壓時，可將外壓作為內(nèi)壓，按承受內(nèi)壓的開孔補強方法進行補強計算”這一規(guī)定。

實際上，壓力面積補強法和等面積補強法其開孔補強的基本原理是一致的，都是基于以開孔有效補強范圍內(nèi)的金屬面積承載能力與內(nèi)壓力載荷相平衡的靜力平衡法，但其補強的有效范圍兩者不同，等面積補強范圍不論孔徑大小都在孔徑2倍的區(qū)域內(nèi)，因此當孔徑與殼體直徑比較大時誤差較大，從而不適用。而壓力面積法其補強范圍與孔徑大小無關，其補強范圍與開孔應力衰減范圍相一致，因此可以用于孔徑與殼體直徑比較大的場合。目前，壓力面積補強法越來越受到國際壓力容器領域的重視，不僅已列為歐盟標準，為歐盟各國廣泛應用，而且也被美國ASME所接受。HG/T20582-2011標準第7章《大開孔的補強計算》是根據(jù)歐盟標準EN1344的壓力面積補強法進行編制的，并且根據(jù)國內(nèi)在設計、材料和制造方面的一些實際情況，對其使用場合作了若干的限制，更加安全。因此按該標準進行的開孔補強計算，安全性是有保證的。

4 外壓圓筒大開孔補強實例分析

現(xiàn)以一個實例來討論一下外壓圓筒大開孔補強計算。有一全真空鋼制圓筒容器，內(nèi)徑為1000mm，材料為S30408，筒體厚度為10mm，設計溫度50℃，外壓計算長度為5000mm。圓筒中間有一個與筒體正交的圓形接管，接管內(nèi)徑為700mm，材料為S30408，接管厚度為10mm，接管伸出長度為300mm，接管采用板材卷焊。圓筒和接管的腐蝕裕量均為0。顯然，該圓筒的開孔補強計算符合HG/T20582-2011標準第7章《大開孔的補強計算》的適用范圍。

符號說明：Ri-圓筒內(nèi)半徑;di-接管內(nèi)直徑;δs-筒體名義厚度;δb-接管名義厚度;h1-接管外側(cè)補強的有效高度;P-設計壓力;b-筒體補強的有效寬度;C1-筒體厚度附加量;Aps-補強有效范圍內(nèi)筒體內(nèi)的壓力面積;C2-接管厚度附加量;Apb-補強有效范圍內(nèi)接管內(nèi)的壓力面積;[σ]s-筒體材料許用應力;Afs-筒體上開孔區(qū)有效承壓金屬面積;[σ]b-接管材料許用應力;Afb-接管上開孔區(qū)有效承壓金屬面積;Afw-補強連接處凸出筒體表面的焊接接頭金屬面積。