壓力容器平蓋開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)適用的處理方法

吳林嶼，李元海，劉 娟

（杭州中泰深冷技術(shù)股份有限公司 技術(shù)中心，浙江 杭州 310000）

0 引言

對(duì)于壓力容器平封頭（平蓋）開(kāi)孔，通常采用增加平蓋厚度的方法來(lái)補(bǔ)強(qiáng)，并用等面積法計(jì)算。但是在實(shí)際工程中，往往會(huì)遇到一些問(wèn)題適用于增加平蓋厚度進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)方法但卻又無(wú)法計(jì)算出結(jié)果的情況，如當(dāng)平蓋上開(kāi)多個(gè)孔且0.4Di＜∑b≤0.5Di的情況。

按照GB/T 150.3-2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計(jì)》[1]第6.1.1條“等面積法適用范圍”的要求，等面積法適用于壓力作用下平封頭上的圓形、橢圓形或長(zhǎng)圓形開(kāi)孔。而在“規(guī)范”的第6.3.4條有關(guān)“平蓋開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)”條款只適用平蓋開(kāi)單個(gè)孔，且開(kāi)孔直徑dop≤0.5Dc（Dc取平蓋計(jì)算直徑，對(duì)非圓形平蓋取短軸長(zhǎng)度），這時(shí)所需最小補(bǔ)強(qiáng)面積按式（1）計(jì)算。

式中：δp為平蓋計(jì)算厚度，mm。

而對(duì)dop＞0.5Do的情況，“規(guī)范”規(guī)定按照第6.5節(jié)的“反向法蘭”模型來(lái)計(jì)算，也就是把平蓋中心開(kāi)孔接管和平蓋看作整體結(jié)構(gòu)或全焊透結(jié)構(gòu)或是無(wú)接管的平蓋。“規(guī)范”要求的適用范圍“平蓋危險(xiǎn)徑向截面上開(kāi)孔寬度總和∑b不超過(guò)Di/2”并不準(zhǔn)確，當(dāng)0.4Di＜∑b≤0.5Di時(shí)，由于削弱系數(shù)V較大，導(dǎo)致K1/v＞0.5，此時(shí)已不滿足GB/T150.3-2011第6.4.3條的K1/v≤0.5的要求。本文就平蓋上開(kāi)多個(gè)孔時(shí)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算進(jìn)行研究，計(jì)算表明當(dāng)平蓋上開(kāi)多個(gè)孔，且平蓋危險(xiǎn)徑向截面上開(kāi)孔寬度總和大于0.4Di時(shí)，需要采用其他方法來(lái)進(jìn)行的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

1 實(shí)例介紹

一臺(tái)精氬分離罐主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 精氬分離罐的設(shè)計(jì)條件

其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 精氬分離罐平蓋開(kāi)孔詳圖

該實(shí)例按照平蓋上開(kāi)單個(gè)孔（dop≤0.5Dc）補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算合格，但同樣等效開(kāi)多個(gè)孔（滿足平蓋危險(xiǎn)徑向截面上開(kāi)孔寬度總和不超過(guò)Dc/2，即：∑b≤0.5Dc），因平蓋削弱系數(shù)的影響仍不能進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

平蓋上開(kāi)單個(gè)孔（dop≤0.5Dc）[1，2]和平開(kāi)多個(gè)孔[3]（平蓋危險(xiǎn)徑向截面上開(kāi)孔寬度總和不超過(guò)Dc/2即（∑b≤0.5Dc））兩種情況分析討論。

2 平蓋上開(kāi)單個(gè)孔（dop≤0.5Dc）

實(shí)例中平蓋上的管口C為DN350，采用安放式接管，規(guī)格為?356×13 mm，即δnt=13 mm。由于本設(shè)備主體材質(zhì)為5083-O（鋁合金），平蓋（板材）和接管C（板材卷焊）材質(zhì)也為5083-O，所以平蓋和接管用鋁板的負(fù)偏差C1=0 mm，腐蝕裕量C2=0 mm，進(jìn)而平蓋上開(kāi)孔dop=356-13×2-C1-C2=330 mm，另外，由于平蓋與筒體的焊接型式為單面焊帶襯環(huán)（沿焊縫根部全長(zhǎng)有緊貼基本金屬的墊板），所以選用GB/T150.3-2011表5-9序號(hào)7（鎖底對(duì)接焊縫）的平蓋型式[2]，對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K為0.5，且平蓋計(jì)算直徑Dc=Di=700 mm。

所以dop=330 mm＜0.5Dc適用于平蓋開(kāi)孔的等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法。假定平蓋的厚度在80 mm～130 mm之間，查得平蓋在設(shè)計(jì)溫度65℃下的許用應(yīng)力[σ]t=70 MPa，又因?yàn)槠缴w采用整張鋁板切割而成，所以平蓋厚度計(jì)算采用的焊接接頭系數(shù)?=1.0。

平蓋計(jì)算厚度按式:

計(jì)算，得δp=83.67 mm

考慮到開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)（整體加厚平蓋），所以取平蓋設(shè)計(jì)厚度δn=130 mm。

此時(shí)，按式（1）開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積

下面計(jì)算多余補(bǔ)強(qiáng)面積，平蓋多余金屬面積

其中，A11=（B-dop）（δe-δ）-2δet（δe-δ）

對(duì)于安放式接管，fr=1.0

所以：

其中：B為有效補(bǔ)強(qiáng)寬度，B=max{2dop′（dop+2δn+

接管多余金屬面積

式中：A21=2h1·（δet-δt）=2×65.5×（13-4.024）=1176 mm2

式中：

[σ]t=83.00 MPa（為13 mm厚5083-O板材在設(shè)計(jì)溫度65℃下的許用應(yīng)力）接管卷焊對(duì)接縱縫做，所以焊接接頭系數(shù)?=1.0。

對(duì)于安放式接管，fr=1.0，

所以，A2=A21+A22=1176 mm2

補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)的焊縫面積A3=422 mm2

綜合可得，

在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積Ae=A1+A2+A3=16887 mm2

由前面計(jì)算的A=13806 mm2

所以Ae＞A，無(wú)需另加補(bǔ)強(qiáng)，即接管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算合格。

3 平蓋上開(kāi)多個(gè)孔（∑b≤0.5Di）

當(dāng)平蓋上開(kāi)多個(gè)孔時(shí)，按照GB/T150.3-2011第6.4.3條要求“平蓋危險(xiǎn)徑向截面上開(kāi)孔寬度總和∑b不超過(guò)Di/2，任意相鄰兩孔中心距要大于兩孔平均直徑的1.5倍且小于或等于2倍”。“任意相鄰兩孔中心距要大于兩孔平均直徑的1.5倍且小于或等于2倍”比較容易理解在實(shí)際應(yīng)用中也很容易滿足。而“平蓋危險(xiǎn)徑向截面上開(kāi)孔寬度總和不超過(guò)Di/2”，對(duì)于采用GB/T150.3-2011中表5-9序號(hào)7（鎖底對(duì)接焊縫）形式的平蓋[2]，Dc=Di，也就是要求“∑b≤0.5Dc”，和本研究的平蓋上開(kāi)單個(gè)孔（dop≤0.5Dc）的開(kāi)孔大小的含義相同，都是要求開(kāi)孔直徑范圍要小于平蓋計(jì)算直徑的一半，但在具體的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算中卻有很大的不同。下面按GB/T 150.3-2011中6.4.3條的具體要求，逐步分析平蓋上開(kāi)多個(gè)孔時(shí)采用增加平蓋厚度進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的局限性。

在計(jì)算平蓋厚度時(shí)（只討論圓形平蓋），對(duì)于計(jì)算式（2）中的K值（平蓋結(jié)構(gòu)特征系數(shù)）選取要考慮開(kāi)孔削弱的影響，并按式（3）計(jì)算開(kāi)孔削弱系數(shù)。

式中，Dc為平蓋計(jì)算直徑（鎖底對(duì)接焊縫連接結(jié)構(gòu)的平蓋，Dc=Di），mm；∑b為平蓋危險(xiǎn)徑向截面上開(kāi)孔寬度總和。

按表5-9或表5-10查取K后確定系數(shù)K1：

當(dāng)K1/v≤0.5時(shí)，K1/v＞0.5時(shí)，采用其他方法計(jì)算開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)，如應(yīng)力分析方法等。

由以上內(nèi)容可以看出，雖然規(guī)范說(shuō)明平蓋上開(kāi)多個(gè)孔時(shí)采用增加平蓋厚度進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的方法適用于平蓋危險(xiǎn)徑向截面上開(kāi)孔寬度總和不大于Di/2即∑b≤0.5Di，但是上述要求若采用本法（增加平蓋厚度進(jìn)行平蓋上開(kāi)多個(gè)孔的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算）[2]還需滿足K1/v≤0.5，也就是V≥2K1。當(dāng)采用GB/T150.3-2011表5-9中鎖底對(duì)接焊縫型式的平蓋時(shí)，K=0.5，此時(shí)K=0.5＞0.3，所以K1=0.3。這樣，削弱系數(shù)V≥2K1=0.6。

將v≥0.6與式（3）聯(lián)立，則有

整理后可得，∑b≤0.4Dc，即平蓋危險(xiǎn)徑向截面上開(kāi)孔寬度總和不大于0.4Di。

顯然，這與規(guī)范6.4.3條的適用范圍（∑b≤0.5Dc）存在矛盾，當(dāng)然本文討論的僅僅是采用鎖底對(duì)接焊縫型式的平蓋（K=0.5），也就是K≥0.3的情況。再分析K1/v＞0.5的情況，也就是要采用其他方法計(jì)算平蓋開(kāi)多個(gè)孔補(bǔ)強(qiáng)的適用范圍。

K1/v＞0.5，也就是：

將K1≤0.3，代入式（4）可得v＜0.6，再與式（3）聯(lián)立。

綜上所述，當(dāng)∑b＞0.4Dc時(shí)，也就是說(shuō)當(dāng)平蓋危險(xiǎn)徑向截面上開(kāi)孔寬度總和大于0.4Dc時(shí)，就要采用其他方法來(lái)進(jìn)行平蓋開(kāi)多個(gè)孔的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

然而，從等面積補(bǔ)強(qiáng)原理出發(fā)來(lái)考慮問(wèn)題，個(gè)人認(rèn)為壓力容器平蓋開(kāi)多個(gè)孔時(shí)如果滿足∑b≤0.5Dc（平蓋危險(xiǎn)徑向截面上開(kāi)孔寬度總和不大于0.5Dc），和任意相鄰兩孔中心距大于兩孔平均直徑的1.5倍且小于或等于2倍這個(gè)條件的話，可以按照GB/T 150.3-2011第6.4.3條進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算[3]，因?yàn)槠缴w上無(wú)論開(kāi)單個(gè)孔或是開(kāi)多個(gè)孔，只開(kāi)孔寬度總和相等，從等面積補(bǔ)強(qiáng)原理來(lái)看，開(kāi)孔對(duì)平蓋削弱的程度是相同的，而計(jì)算所需的補(bǔ)強(qiáng)截面積也是相同的。當(dāng)然，此時(shí)這個(gè)條件是K1不滿足的，這樣就涉及如何選取K值（平蓋結(jié)構(gòu)特征系數(shù)）來(lái)計(jì)算平蓋厚度的問(wèn)題。從保守計(jì)算考慮出發(fā)，個(gè)人建議取K和0.5的較大值，因?yàn)樵臼且1/V和K的較大值，然而從前面要求可知，K1/v≤0.5，所以K1/v≤0.5直接取K和0.5的較大值來(lái)計(jì)算平蓋厚度。

4 結(jié)語(yǔ)

圓形平蓋開(kāi)單個(gè)孔（dop≤0.5Dc），采用整體加厚平蓋的方法并用等面積法計(jì)算行之有效。從第3章可以看出，當(dāng)平蓋上開(kāi)多個(gè)孔時(shí)，規(guī)范要求的適用范圍“平蓋危險(xiǎn)徑向截面上開(kāi)孔寬度總和∑b不超Di/2過(guò)”并不準(zhǔn)確，當(dāng)0.4Di＜∑b≤0.5Di時(shí)，由于削弱系數(shù)V較大，導(dǎo)致K1/v＞0.5，此時(shí)已不滿足GB/T150.3-2011第6.4.3條的K1/v≤0.5的要求。所以平蓋上開(kāi)多個(gè)孔時(shí)的適用范圍應(yīng)改為“平蓋危險(xiǎn)徑向截面上開(kāi)孔寬度總和∑b不超過(guò)0.4Di”。另外，當(dāng)平蓋上開(kāi)多個(gè)孔時(shí)，若平蓋危險(xiǎn)徑向截面上開(kāi)孔寬度總和大于0.4Di時(shí)，就要采用其他方法來(lái)進(jìn)行的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。