压力管道设备开孔补强计算方法探讨VIP

第 4 O卷增 刊 1 2 O 1 1年 8月 石油化工设备 PETR0一 CHEMI CAL EQUI P MENT Vo1 4 0 Su pp l e me nt 1 Aug 2 011 文章编号 ：1 0 0 0 7 4 6 6 ( 2 0 1 1 ) 增 刊 1 - 0 0 2 3 0 4 压力管道设备开孑 L 补强计算方法探讨 曲忠奎 ，郭 磊 ，王 枫 ，张倩 ( 中国石油天然气管 道工程有 限公司 ，河北廊坊0 6 5 0 0 0 ) 摘要 ：介绍 了压力管道设备的开孔补 强计算方法， 包括采 用压力容器的开孔补 强计算方法和采用 压 力管道 设备 标 准规 定的 开孔补 强 计算 方法 两种 。论 述 了这 两种 方 法 的特 点 和 应 用 范 围 ， 详 细 介 绍 了它们 之 间的相 同和 不 同点 以及 实 际应 用 时应 注意 的地 方 。 关 键 词 ：压力管道；设备；开孔补强；计算方法 中图 分类 号 ：T E 9 7 3 文献标 志码 ： B Di s c u s s i o n o f Ca l c u l a t i o n M e t ho d o f Op e ni n g Re i nf o r c e me n t f o r Pr e s s u r e Pi pe l i ne Equ i p m e n t Qu Z h o n g - k u i ，GUO Le i ，WANG F e n g ，Z HANG Qi a n ( Chi n a Pe t r ol e u m Pi pe l i ne Eng i ne e r i ng Cor po r a t i on，La n gf a ng 06 5 00 0，Ch i na ) Ab s t r a c t ：Th e p r e s s u r e p i p e l i n e e q u i p me n t S o p e n i n g r e i n f o r c e me n t c a l c u l a t i o n me t h o d s ，i n c l u d i n g t h e p r e s s u r e v e s s e l o p e n i n g r e i n f o r c e me n t c a l c u l a t i o n me t h o d a n d t h e o p e n i n g r e i n f o r c e me n t c a l c ul a t i o n m e t h o d of p i pe l i ne e q ui p m e nt s t a n da r d s we r e i nt r o du c e d The c h a r a c t e r i s t i c s a nd r a n g e o f a p p l i c a t i o n s wa s ma i n l y d i s c u s s e d ，a n d t h e s a me a n d d i f f e r e n t b e t we e n t h e m a n d wh a t s hou l d p a y a t t e n t i o n t o i n p r ac t i c a l a pp l i c a t i o n we r e i nt r o du c e d Ke y wo r d s ：p r e s s u r e p i p e l i n e ；e q u i p me n t ；o p e n i n g r e i n f o r c e me n t ；c a l c u l a t i o n me t h o d 在输油和输气等长输管道工程 中， 需要使用大 量清管器收发球筒 、 汇气管及清管 三通等压力管道 非标设备 。压力管道设备在简体的开口结构有两种 形式 ， 一类是传统的焊接结构 ， 另一类是挤压引出接 管结构。无论是焊接结构还是挤压引 出接管结 构， 其开孔补强的计算 方法上都是类似的 ， 普遍采用等 参考文献 ： 1 GB 1 5 O 一 1 9 9 8 ， 钢制压力容器 s 2 2 桑如苞 压力容器 强度设 计技术 分析 ( 三) J 石 油化 工 设 计 ， 2 0 0 7， 7 ( 1 ) ： 4 7 5 4 E 3 AD压力容器规 范( 1 9 8 3版 ) r- s 4 HG 2 0 5 8 2 -1 9 9 8 ， 钢制化工容器强度计算规定E s 5 陆明万 ， 寿 比南 ， 杨 国义 压 力容器 应力 分析设 计方 法 面积补强法， 这也是 目前计算最简单且最 常用 的一 种 补强 计算 方法 。 压力管道设备 的补强计算方法主要有两种 ： 采用压力 容器 的开孔 补强 计算 方法 ， 也 就是 按照 GB 1 5 O 一1 9 9 8 钢制压力容器 或 AS ME锅炉与压 力容器规范 第卷中的要求进行开孔补强计算 ， 6 7 E s 的进展和评述 _ J 压力容器 ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 1 0 ) ： 3 4 4 0 杨德生 ， 缪正 华 ， 赵 国臣 应力 线性化 原理 在压力 容器 分析设计 中 的应用 J 化 工装 备 技术 ， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 1 ) ： 21 22。 4 2 AS ME锅炉及压力容器规范 第 篇 ( 2 0 0 7版) S J B 4 7 3 2 1 9 9 5 ， 钢制压 力容器 分析设 计标准I s ( 杜编) 收稿 日期 ：2 0 1 1 2 3 0 3 作者简 介 ：曲忠奎( 1 9 8 1) ， 男 ， 辽 宁鞍山人 ， 工程 师 ， 学士 ， 主要从事压力管道设备 、 压力容器方面的设 计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 4 石油化工设备 2 0 1 1 年第 4 0卷 这种方法多用于输油管道工程 。采用压力管道 的 开孔补强计 算方法 ， 也就是 按照压力管道标准 ， 如 G B 5 0 2 5 1 - 2 0 0 3 输 气 管 道 工 程 设 计 规 范 或 AS ME B 3 1 3 工艺管道 中的要求来进行开孔补强 计算 “ ， 这种方 法也多用于输气管道 工程。虽然 同属于压力管道设备标准 ， 文献 3 ， 4 中关于开孔补 强的计算也有差别。 为此 ， 笔者论述 了这两种计算 方法 的特点 和应 用范围， 详细介绍了它们之间的异 同以及实际应用 时应当注意 的问题l_ 5 、 。 。文中各量 的含义参见各 相 应文献 。 1 压 力容器 的开子 L 补 强计算 压力容器的开：f U N , 强计算方法主要采用的是等 面积补强法 ， 其指导思想是使简体上多余金属的截 面积 A 、 接管上多余金属的截面积 A： 、 焊缝金属的 截面积 A。之 和作为有 效补强 范 围内补 强的截 面 积 A 。 若 A 大于等于因开孔而削弱的截面积 A， 则开 孔不需要补强 ； 若 A 小于 A， 则开孔需要补强 ， 需要 补强 的面 积 A AA 。 该方法使 用 的开孔 范 围为， 当简 体 内径 D。 1 5 0 0 mm时， 开 孔 最 大 直 径 d D 2 ， 且 d 5 2 0 mm； 当筒体 内径 Di 1 5 0 0 mm 时， 开孔最大 直径 D 3 ， 且 1 0 0 0 mm。 文献 1 第 8章规定 ， 开孔所需的补强面积 A一 +2 虢 ( 1 一 ) ； 简体补强面积， 即简体有效厚度 减去计算厚度之外的多余面积 A 一( B ) ( 。 ) 一 2 ( 一 ) ( 1 一f ) ； 接管补强面积 ， 即接管有效 厚度减去计算厚度之外 的多余面积 A 一2 h ( 一 ) _厂 +2 z ( 一C z ) f 。 开孔补强的有效宽度 B按式( 1 ) 计算 ， 取二者 中较大 值 。 f 2 d B= f ( 1 ) l d 4 - 2 8 4 - 2 8 开孔补强的有效外侧高度按照式( 2 ) 进行计算 ， 有效内侧高度按照式 ( 3 ) 进行计算 ， 分别取式中的较 小者 。 一 j nt ( 2 ) l 接管实际外伸高度 、一j n t ( 3 ) I 接管实际内伸高度 文献 1 第 5章内压圆筒和内压球壳中， 设计温 度下圆筒的计算厚度为： D 6 = - 。2。 。a。 。 -。p。 o 需要说明的是 ， 应为设计温度下简体材料 的许用应力 ， 按文献 1 中第 4章选取 。 文献 2 中相应的开孔补强计算方法与文献 1 大 同小异 。 2 G B 5 0 2 5 1中规定的开孔补强计算 文献 3 附录 F规定， 三通或直接在管道上开 孔与支管连接时 ， 其开孔削弱部分可按等面积补强 原理进 行补 强 ， 应 满足 以下公 式 ： A。 +A +A。 AR ( 4 ) 其 中 A。 一d ( 一 ) A。 一 2 H ( l1 一 b ) AR一 d 式 中 ， A 为有效 补强 区内主 管承受 内压 所需 设 计壁 厚外的多余厚度形成的面积 ； A 为有效补强 区内支 管承受内压所需最小壁厚外 的多余厚度形成的截面 积 ； A。为有效补强 区内另加补强元件的面积， 包括 该区内的焊缝截面积； A 为主管开孔削弱所需补强 面 积 ， mm 。 开孔 补 强 的 有 效 补 强 范 围 为 H 一 2 ， 5 8 或 2 5 8 、 H。 一2 5 艿 。文献 3 中规定， 直 管段管壁 厚 度按 下式计 算 ： 一 D 0一 需要说明的是 ， 应为钢管 的最小屈服强度 ； F 为设计系数 ， 跟工程所在地区有关， 两者相乘即为材 料 的许 用应 力 。 3 文献 4 中规定 的开孔补强计算 文献 4 中规定 ， 内压下支管连接所需的补强面 积 A 为 ： Al t h dl ( 2 一 s i n ) ( 5 ) 有效 的补 强面积 为 ： A +A。 +A A。 ( 6 ) 其中 A 2 一( 2 d ： 一d 1 ) ( T h 一 一f ) 2 L4 ( Tb 一 一 c ) A3 s i n B 式 中， A 为主管壁多余厚度产生的面积 ， A。为支管 壁多余厚度产生的面积， A 为由焊缝 和适当外加补 强提供的其它金属的面积 ， mF f l 。 。这些面积均在补 强区之内。d 。 为补强区半宽度， 取 d 或( T 一c ) + 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 增 刊 1 曲忠奎 ， 等 ： 压力管道设备开孔补强计 算方法探讨 ( T c ) +d 2 两者中的较大值 ， 但在任何情况下 ， d 。 D L 为支 管 外 补 强 区 的高 度 ， 取 2 5 ( T 一 c ) 或 2 5 ( T 一f ) 十T 中 的较小 者 。 对 于挤 压 引 出 接管 的补 强 ， 所 需 的补 强 面 积还 需 用 下式 求得 ： A1 一 Kt h d ( 7 ) 当 Dh Dl 0 6 0时 ， K一 1 0 0 ； 当 0 6 0 Db 0 1 5时 ， K 一0 6 + 2 3 ( Db D ) ； 当 Db D 0 1 5 时 ， K一0 7 。 4 计 算方法 比较 按照压力容器开孔补强方法和按照压力管道设 备 有关 标准 要求 进行 补强 的基 本 理论都 是 以等 面积 补 强法 为基 础 的 ， 最 大 的 不 同在 于前 者属 于压 力 容 器范畴 ， 而后者则不属于压力容器范畴 。 4 1 适 用 的开孔 范 围不 同 如 果 按 前 者 方 法 计 算，当 简 体 内 径 D。 l 5 0 0 mmH ?， 开 孔 最 大 直 径 d D， 2 ， 并 且 d 5 2 0 mm； 而 当筒体 内径 D。 1 5 0 0 mi n时 ， 开孔 最 大直 径 1 3 D ， 并 且 d l 0 0 0 mm。也就 是 说 ， 对于较大的开孔 ， 这种计算方法是不适用的。而采 用后者计算方法就没有这个限制， 例如用文献E 3 来 计算开孔接管直径与筒体相 同的设备 、 等径的清管 三通 等是 可行 的 。 4 2 许用应力取值方法不同 采用前者方 法计算时的许用应力可 以在文献 1 中直接查取 ， 而采用后者计算方法时则通过查取 材料的屈服强度后乘上设计系数得出。 这两种方法会使同种材料许用应力的取值有不 小 的差异 ， 导致简体的计算壁厚也相差不少。 另外 ， 如果在文献 1 中查取材料 的许用应力 ， 那么文献 1 中没有列出的材料就无法查到相应的 许用应力值。而采用后者计算方法 ， 只要知道材料 的屈服强度和设计 系数 就可 以计算 出许用应力值 ， 适 用 范 围广泛 。 4 3 有效补强高度不同 采用 前 者方 法 的有效 补强 高度 按式 ( 2 ) 和式 ( 3 ) 计 算 ， 并 分别 取式 中较 小者 。 而采用后者方法计算时则分为两种情况， 如果 是挤压 引出接管 的补强 ， 那么 有效补 强 高度 H一 0 7 。 ； 如果是焊接接管的开孔补强， 那么有效 补强高度 H一2 5 或 2 5 。在实 际计算 中， 两 种计算方法得到的有效补强高度相差不小 ， 对最终 计算结果影响也较大。 对 于挤压引出接管的补强 ， 同属压力管道设备 标准的文献 3 和文献 4 的要求也有所不同。文献 4 中规定 ， 挤压 引出 口接管所 需的补强面积按式 ( 7 ) 求得 ， 且对 K 的取值条件进行 了规定 。也就是 说 ， 按照文献 4 ， 当开孔接管与筒体的直径 比小 于 0 6时 ， 需 要乘 以一 个小 于 1的系数 ， 开 孔 接 管直 径 相对于简体越小 ， 这个系数就越小 ， 而文献 3 中就 没有这个规定 。若开孔接管相对 比较小 ， 该 区别对 计算 结果会 有 较大 的影 响 。 比如计 算 设 计 压 力 为 1 0 MP a的 D N1 0 0 0 DN4 0 0清管三通 ， 按照这两种标准计算 出的筒体壁 厚相差约 2 O ， 按文献I s 的计算结果会偏厚一些 。 5 结 语 开孔补强的计算方法大体分为两种 ， 一种是按 照压力 容器 开 孔补 强 方 法 ， 另 一 种是 按 照压 力 管 道 设备有关标准的要求进行计算或补强核算 ， 这两种 计算方法的理论基础均为等面积补强。用等面积补 强法计算或者核算开孔补强时会有所不 同， 具体采 用 哪种 方法 ， 需 在 满 足 相 应 标 准 的前 提 下 ， 根 据 环 境 、 材料及工程具体情况等因素来选择 ， 使工程设计 更 加合 理准 确 。 参 考文献 ： 1 G B l 5 o 一1 9 9 8 ， 钢制压力容器E s 3 2