压力容器受压元件强度计算方法运用规则

第8 期 5 压力容器受压元件强度计算方法运用规则 程敏 ( 中石化南京工程有限公司，江苏 南京 2 1 1 1 O O ) 摘 要压力容器受压元件强度计算方法在相关标准规范中已 有明确规定，但计算方法具有通用性，设计时若忽视具体运用 规则，将造成计算结果保守浪费 材料，或是冒进不安全。本文就此问题以几个工程实例数据加以分析， 供业内同行参考 关键词压力容器；受压元件；强度计算；基础理论；运用规则 压力容器 受压元件 强度计算方法 ， 在相关标准规范 中已按元件类型分别作 出明确规定 ，但方法普遍具有技术通用 性 ，常常涵盖该元件不 同结构细节和受 载条件 ，设计应用时需结合基础理论 ， 了解设计依据 ，掌握运用规则 ，才 能达0 到应用计算方法贴切无误，计算结果趋 于合理 ，避免因盲 目运用造成的浪费或 存在着不安全因素 。 1 管板厚度计算中扣除结构槽深运用规则 管壳式换热器 管板厚度计算涉及如何扣 除结 构槽深 的问题 ，如何扣除常因设计人 员不明其理 陷入盲 目性 ，出现该扣不扣或不该扣却扣除的不 合理现象。 管板连接结构一般 分为周边焊接和周边夹持 两大类型 ，如 图l ( a ) 、( b ) 所示，分别用于固定管板 换热器和U形或浮头管板换热器，两者同属受均布 载荷、有开孔削弱的圆形平板 ，若做简化近似判 断 ，前者可视 为周边 固支 ，后者视为周边简支的 圆平板 ，工程 力学 己导出两种 圆平板受载后的应 力分布，如图2 ( a ) 、( 1 ) ) 所示【 l 】 。 l a l b l 图1 管板连接结构 ( a ) 边 疆 莛 图2 受均布载荷的圆形平板 由图2 表 明，图2 ( a ) 周边固支圆平板 的最大应 力 ( 径 向 o )出现在板 的周边 ，次大应力 ( 径 向 o 、切 向 o。 )出现在板 的中间。当作为管板受到 不 同程度 的管束支撑 、温差应力或法兰力矩作用 时 ，两 处的应 力 ( 绝对值 )大小有时会较相近 ， 管板厚度取 决于周边应力或 中间应力均有可能 ， 故厚度计算 时，管板 的壳程侧周边焊接结构槽深 度和管程侧 中间隔板槽深度应同时扣除；而图2 ( b ) 周边简支 管板 的最 大应力 ( 径 向 o 、切 向 o。 ) 只 出现在板的中间 ，管板厚度完全 取决于中间应 力 ，因此厚度计算时只需扣除管程侧 中间隔板槽 深度 ，不必同时扣除壳程侧周边 的垫片座深度 。 2 平盖强度计算开孔削弱运用规则 平盖受载 弯 曲时应 力分 布不均 ，承载 能力相 对较差 ，设计厚度偏大 ，但其结构简单，制造 方 便 ，故在压力较低 、直径较小或高压封 头成形困 难 的容器上得到广泛采用 。工程设计中有 不可拆 作者简介：程敏 ( 1 9 7 8 一)，女，江苏沭阳人，南京工业大学 化 工设备与机械 专业毕 业 ，本科学 历 ，工程 师。主要从事 石油化 工压 力容器设计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 一 论文广场 石油和化工设备 2 0 1 4 年 第1 7 卷 除平盖和可拆除平盖两种结构，如 图3 ( a ) 、( b ) 所示。平盖厚度计算 时 常涉及平盖上的开孔削弱问题，该 削弱的计及范围是随平盖厚度计算 方法 的不同而有不同的运用规则。 aj 2 1 方法1 一薄板公式 工程上常把圆形平盖的厚度t d , 于或等于其直 径D的1 5 ，即t D 1 5 时视为薄板，薄板受 内压P 作用后呈双 向弯曲，既有径 向弯 曲，也有周 向弯 曲，板面整体变形趋微拱 曲面 。基于这一变形特 征和相关假 设，按薄板理论导得如下厚度计算公 式 2 1 ，常用于低压或低中压容器平盖计算上。 ，：Dc P_+ c 【 o - 式 中：K一结构特征系数，其值取决于平盖周 边的支撑条件 ； 丫一开孔削弱系数 = Dc - ； Zd d 一平盖同一直径横截面上各开孔直径之和 ( 取各截面上之大值 ) ( 其余符号见 图示或从略) 薄板 整体变 形趋微 拱 曲面仅 发生在 内压作用 范围D c 之内，显然平盖开孔削弱所计及 的d 范围 应与其相对应 ，即图3 ( a ) 平盖为容器 内径范围；图 3 ( b ) 平盖为密封垫片计算直径范围，截面两边的主 螺栓孔径d K不应计入 ，否则计算前提不符合薄板 理论 ，计算结果盲 目保守。 2 2方法2 一厚板公式 ，对于t D 1 5 的厚板 ，特别如 图4 所示结构 的 高压平盖，设计大多按巴赫公式 3 计算 ，该式是将 圆形厚板近 似 以直径 处截 面为弯 曲断面 的梁来考 虑 ，用平盖的半幅面所 受载荷对 该断面取矩 ，利 用弯曲应力基本式 =竺，按 以下关系导得最大 TT 弯曲应力计算式。 ” ( 1 平盖上的载荷 、 a 内 压P 引起的总轴向力 = 尸，均布 在D 。 圆面积上； a 图3 平盖结构 图4高压平盖 a b 垫片密封反力 ( 按平金属垫片) Q ： =,r D b q ， 均布在D。 圆周上； ( 式 中：b 垫片密封宽度 ；q一 垫片工作密封 比压 ) c 主螺栓载荷 Q= + ( 2 ) 直径断面a a 的弯矩 在图4 所示的a a 断面一侧的半个圆平盖上 ，由 基础力学4 可知各载荷对a - a 断面的作用关系： 1 a D c 半圆面积上内 压载荷三 的合力作用点 A，距a - a 断面的距离7 三 0 3 1 b Dc 半圆周上垫片密封反力 p，的合力作用 点B，距a a 断面的距离 ： ； 1 C Db 半 圆周上主螺栓载荷 p的合力作用点 C，距a a 断面 的距离 一 ； ，7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第8 期 程敏压力容器 受压元件 强度计算 方法运 用规则 一7 一 各 载荷 对a a 断 面取 矩后 的 总 矩 ： = 。 - 一 。 ： ( 9 +Q ： ) 一 9 ， 一 9 ： ： 【9 t (D i D ) 十 g ： ( D D ) 】 ( 3 ) a - a 断面的抗弯断面模数 r f = ( D 一,Z c ) t 。 +( D。 一 Dt 一2 d ) ， ： ( 4 ) 最火弯曲应力 由此得a a 断面最大弯曲应力计算式同： ， 3 9 t ( D 一 D L ) Q ： ( D 一 ) ( D! -V d ) t 十 ( D。 一Dl 一2 d ) ， l 。 由于 厚板 公 式 是平 盖 直径 截面 整 断面 受 弯 曲，犹如 块 圆饼沿直径截面用手一掰两半，故 其抗弯断面系数w公式 中的开孔 削弱 理应计入两 边的主螺栓孔径d ，否则计算方法与梁弯曲不符 ， 计算结果必然偏于 冒进而不安全 。设计时若将 两 边 的主螺栓孔及工艺管孔尽量不布置 在平盖同一 直径截面上 ，才是上佳的设计方法 。 ( 注 ：环形断面b b 强度校核不涉及本题，从略 ) 3 补强计算中开孑 L 元件焊接接头系数的运用规则 受压 元件 开 孔 补强 采 用补 强 圈结 构 时 ，开 孔周 围存在元件厚度突变 的结构不连续区域， 由 此 引起 的附加应力会加剧孔周应力分布不均的程 度 ，且补强 圈厚度越大影响越大 ，因此在满足补 强需求前提下 ，尽量减薄补强圈厚度 就成为设计 的一项 追求 。 按等 面积补 强原理 ，补强圈厚度 取决于开孔 元件的计算厚度t ，而t 。 又与开孔元件 的焊接接头 系数相关 ，在采用程序计算时 ，此值常不加处理 直接沿用设备计算模块 中的焊接接头系数 ，当设 计容器 的焊接接头 只要求实施局部无损检测时 ， 接头系数0 8 5 必然使开孔元件计算厚度t 。 和补强圈 厚度相应增大 。其实 由于 以下理 由，设计容器 的 焊接接头无 论是全面检测或是局部检测 ，用在开 孔补强计算中该系数均可取 1 。 ( 1 ) 开孔补强是局部计算 问题 受压元件开孔补强是通过弥补元件 区域 削弱 来恢 复其整体 强度 的局部计 算问题 ，只要 该区域 的元件达到满承载 能力 ，就认为元件具有完整强 度 ，补强计算用焊接接头系数可取为 1 。 ( 2 ) 开孔未必一定位于焊接接头上 开孔 尽可能避开受压元件焊接接头是压力容 器制造商熟 知的常识 ，且开孔面积 占容器总面积 的比率较低 ，所 以大多数受压壳体能够做到将开 孔布置于无焊接接头的完整部位。 ( 3 ) 开孔不允许位于A、B类焊接接头上 对于 符合允许不另行补强的管孔 ，规范规定 开孔不得位于A、B 类焊接接头上f 6 ，从而保证了 这部分焊接接头的完整。 ( 4 ) 全面检测开孔周围规定区域 内的焊接接头 当开孔确认不可远离焊接接 头时，制造商必 须按规范规定 6 对此开孔中心为 圆心、一倍开孔直 径为半径 的范围 内的焊接接 头 以及被开 孑 L 所 需补 强圈覆盖的焊接接头执行全面无损检测 ，达到焊 接接头系数值等于1 的要求 。 由此可见 ，受压元件开孔 区域无论有 无焊接 接头，开孔补强计算中的元件强度系数取为1 是有 绝对保证的，只要在程序 计算时改变 该系数 的 自 动沿用规则，所需补 强圈厚度便可有所减 薄，有 利缓和开孔元件 周围厚度 突变 的影 响程度 ，也可 减小该处D类接头的焊接残余应力。 4受压元件免除开孔补强计算的运用规则 压 力 容器 受 压元 件 开孔 削弱采 用 等面 积 补 强 ，予 以恢复元件原有的整体强度 ，这种设计方 法本身确 己包含只要受压元件的有效厚度大于或 者等于两倍计算厚度 ，即t 之 2 t 。 时 ，等面积补强 已 经实 际存在 ，不必再另行补强 ，并可免除补强计 算 。但这一规则有一定 的局 限性 ，不能当做无条 件通则运用到各种开孔补强设计中。 己有成 功实践经验 的等面积补强法 ，乃是一 种半经验计算方法 ，此法允许在开孔补强有效 区 B = 2 d( 孔边锋值应力衰减 前半区，见图5 )内， 用横截面积与开孔 削弱横截面积相等的补强圈 ， 对本应集 中补 强的孔边锋值应力做平均补强 ，从 而为有可 能运用免 除补强计算规则建立 了适用条 件 。但在具体运用时 ，尚不能一概套用 ，必须注 意如下限定范围： ( 1 ) 仅适用限定直径2 以下的开孔 等面积补强法是 以大平板开小孔为理论基础 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 8 一 论文广场 石 油 和 化工 设 备 2 0 1 4 年 第 1 7 卷 X 目 a 一 I c、 J -I_ X 图5 柱壳开孔边应力分布 建立 的计算方法 ，在 并非是平板 的内压球壳或柱 壳上 ，只有开孔小于 限定直径时 ，方可忽略 曲率 影 响，近似视为大平板开小孔的条件 。超过限定 直径 的开孔 ，己与设定前提不符 ，等面积补强法 并不 适用 ，上述t 。 2 t 。 时可免除补强计算 的规则 ( 以下简称 免除补 强计算规则 )也不成立 ，必须 通过 允许局 部微量 屈服 的大开孔补强计算来满足 补强要求 。 ( 2 仅限定法向接管开圆孔 如 图5 所示 ，受压壳 体开孔边 缘存在 显著 的 应力集中，该处的实际应力 常达 到薄膜应力 的数 倍 。理论证实 ，球壳上孔边应 力集 中系数K= 2 ， 且沿 周边相等 ；柱 壳上 的孔边最大应力集 中系数 K= 2 5 3 】 ，位于柱壳轴向X- x剖面的端点a ，c( 见图 5 )。球壳的薄膜应力或柱壳的环 向薄膜应力都是 控制在 1 倍 o 以下，故上述开孔的孔边最大峰值 应力均小于3 倍许用应力，即 o 3 o ，已经超越结构安定性准则，孔边应 力处于不安定状态 ，对此情 况 ，目前 尚无 实践经 验验证 圆孔等面积补强法也可适 用于此的结论， 所 以上述免除补强计算规 则显然 不能直接运用 ， 必须通过经应力修 正的非法 向接 管开孔补强计 算 法来满足补强要求 。 ( 3 ) 仅 限定具有 大于或等 于正常中心距的开孔 当相邻 开 孔 中心距 小 于 两孔 直径 之和 ，即S 2 t 也 尚未满 足补 强需 X 图6 柱壳轴向长轴椭圆孔 求 ，免 除补强计算规则显然不可直接运 用，必须 通过联合补强计算方法方能解决补强需求。 图7 小 于正常中心距的开孔 由此可见，t e 2 t 。 并不是免除补强计算规则的 唯一条件，一概 而论 套用此规则会危及压力容器 这一最为薄弱部位的安全可靠性 。 5 结束语 从上述所列数据不难看 出，只有 了解计算方 法的理论依据和实践经验的基本道 理，才能确切 掌握受压元件强度计 算方法 的运用规 则，分清情 况，合 理取值 ，避免盲 目性 ，从而获得更为满意 的设计效果。 参考文献 1 宋建华