压力容器大开孔补强计算方法对比

余 热 锅 炉 2 0 1 4 3 压力容器大开孔补 强计算方法对 比 浙江中智经济技术服务有限公司彭荣梅 摘要 压 力容器的 大开孔在 开孔接 管处有 很 复杂 的应 力， 必须进行补 强计 算。 本文 介 绍 了几种压 力 容器 大 开孔 的计 算 方 法 压 力 面积 法、AS ME 法和 GB1 5 0新推 出的分析 法的适用 范围及其特点。 关键词压力容器 大开孔补强 现代化 承压 设备应 用 中， 由于 工艺和 结构的需求， 不可避免地出现较大 的开孔接 管， 而容器大开孔会在开孔边缘形成 比较复 杂 的应力状态 ：局部薄膜应 力 ； 由相 贯壳体变形协调产生 的边界 内力 引起 的弯 曲应力 ； 由于应力集 中引起 的峰值应力。 针对这几种应力不同的考虑， 国内外压力容 器设计规范中给 出了不 同的补强范 围和补 强计算方法 ， 下面几种方法是在设计生产过 程中遇到的几种常见的方法 ： ( 1 ) 压 力面积 法 ： 国 内 代 表 为 HG T 2 0 5 8 2 2 0 1 1钢 制 化 2 工 容 器 强 度 计 算 规 定 。 规 定 中给 出 了大 开孔补强计算方法， 考 虑 了在有 效补 强范 围 内由压 应力产 生的载 荷与筒 体、 接 管、 补强 元 件等有 效截面 的抗 拉承载能力相平衡的计算方法 ， 其计算方法 只涉及补强材料的薄膜应力。 补强适用范围 ： 不考虑接管补强采 用荒 体增厚或补强圈补强的， 开孔直径 d与 壳体 内径Di 之 比满足 ： d Di 0 5； 凸形 封头采用接管补强或 凸缘环补强时， 接管或 凸缘环内径 d与壳体外径D 。 之 比满足 ： d D。 0 6； 圆筒壳体上采用接管补强的开孔， 其开孔的内径与壳体 内径D i 之比满足 ： d Di 1 , 0； 厚度的限制 ：用于设计计算 时， 接 0 2 0 3 0 4 0 3 n o _7 Q a 0 9 1 0 图1用于设计计算的接管有效厚度比的限制 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉 2 0 1 4 3 2 5 管有效厚度与壳体有效厚 度之 比应不超过 图 1 查处 的值， 如超 出， 超出部分不 应 计 入 补 强 ；用 于 制 造 时， 即实际采用厚度时， 接 管有效 厚度与壳体有效厚 度 应 不 超 过 图 2查 出 的 值。 计算方法 ：以图 3圆 筒壳体单个开孔且补强圈 补强为例 ： 一 0 ,2 0 t L4 O 0 6 0 T 0 , 8 0 9 l + O 图2用于制造中采用的接管实际厚度比的限制 d 十- 尊 图3圆筒壳体单个开孔且补强圈补强 计算 公 式 ：( Af t +A f w)( O s - O 5 p) + Af p( 【 0】 p - 0 5 p) + Alp( O】 b - 0 5 p)p ( Ap s +Ap b ) 其 中 ：P设计压力 ； A 壳体上开孔 区有效承压金属面 积 ； A 补强连接处凸出壳体表面的焊 接接头金属面积 ； Af r补强圈截面的金属面积 ； A s 补强有效范围 内壳体 内的压力 面积 ； Ap b 补强有效范 围内接管 内的压力 面积 ； 【 o 1 一 壳体材料许用应力 ； o 广补强圈材料许用应力 ； f o 1 广接管材料许用应力 ； 采用本方法需同时满足以下要求 ： 接 管、 壳体、 补强件应采用全焊透 结 构， 接管 与壳体连 接 内外壁应 避免 尖角过 渡， 而采用 r 圆角过渡 ； 接 管、 壳体、 补 强件 的材料其 常温屈 强 比应满足 l R m0 6 8 ， 应避免采用标准 常温拉抗强度下限值 R m5 4 0 MP a ， 如需采 用， 需设计和检验等方面做特殊考虑。 接管、 壳体、 补强件之间的焊接接头 应无损检测合格 ； 补强方法不宜用于介质对应力敏感 的场合 ： 大 开孔应避 免用于可产 生蠕变或有 脉动载荷的场合 。 由图 1和图 2可见本 方法对接管与壳 体的壁厚比作 了限制， 根据接管内径与开孔 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉 2 0 1 4 3 处壳体 曲率直径从有关 曲线 图中查取， 设计 计算 时壁厚 比最大为 2 ， 制造 时实际采用的 壁 厚比最大为 3 ， 由此说明制造 时不要随意 增加壁厚， 不是壁厚越厚越好 ， 太厚 了不仅 不经济， 而对应 力没有好 处。 从适应范 围的 限制情况来看， 只有当接管为壳体整体补强 时才允许较大开孔 ； 补强圈补强效果差， 因 此允许开孔相对较小。 ( 2 ) A S ME法 ： AS ME( 强制性附录 1 7 ) 方法是在压力面积法所考虑 的薄膜应力强 度基础上 ， 补充 了弯矩作用 的弯 曲应力强度 问题 ， 使计算 比压力面积法更完善 。 其 中由 于 内压 P作用位置 的差异而 引起 的弯矩所 产生的弯 曲应力强度问题 ， 由于此弯矩系由 压力平衡条件导出， 为此 AS ME法 明确将其 归为一次弯 曲应力。 对开孔边缘的最大局部 薄膜应力 S m 和弯 曲应力 s b之和不应超过 设计条件下的 1 5 S 。 AS ME法适用范 围 ：开孔补 强所 需 的 2 3面积在一定的范围内 ； 具体范围查阅 附录 l 一 7( a ) ； 容器 内直径大于 6 0 i n； 接 管内直径超过 4 0 i n；且超过 3 4 R t ； R n R不 超过 0 7； 筒体或锥 壳上没有 内伸段的径 向接管， 且不包括 由于外部载荷作用而进行 的任何应力分析。 AS ME法计算方法 ： P( 】 M = ( 譬 + R R n e ) P a = e + t 2 M a s b T J L l 曰 一t j 6 一 T L rl 棚。 I一 厂Ne, l r s I 幽 af e h _ 哪I L _ l 、 、 r 】 L w I l 1 l 厂 胁 I ，-p ： l J 一r - - 一 一 L 图4补强面积示意 其 中 ： As 图 4中 ( 开孔 所 需补 强面积 ) 阴影区域的面积 ； I 图 4中阴影区域的面积 ( 较大者) 对中性轴的惯性矩 ； a 图 4中阴影线区域面积 的中性轴 与容器壁 内表面的距离 ； R m壳体的平均半径 ； R n m接管颈的平均半径 ； r阴影线区域面积的中性轴到壳壁 中面处的距离 ； S m 按公式计算得到的薄膜应力 ； S b 接管颈 内侧与容器壁 内侧相交 处沿着容器壳体纵轴的弯 曲应力 ； ( 3 ) 应 力分析法 ： G B1 5 0 2 0 1 1 压力容 器新推出的的分析法， 是模型建立在假定 接管和壳体是连续的整体， 保证焊接接头 的 整体焊透性和质量。 其设计准则是基于塑性 极限与安定分析得出的， 通过保证一次加载 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 余 热 锅 炉 2 0 1 4 3 2 7 时有 足够 的塑性承载 能力和 反复加载的安 定要求来保证开孔安全 。 分析法适用范围 ： 适用于内压作用 下具有单个径向接管的圆筒 ： 圆筒、 接管 或补强 圈的材料 ， 其标准室温屈服强度与标 准拉抗强度下限值之 比小于或等于 0 8； 接 管或补强件与壳体应采用 截面全熔透焊 缝， 从而确保补强结构 的整体性 ； 适用参 数 ： 开 孔 率 d D0 9；ma x 0 5 ，d D 6。 I 6 。 2 。 分 析法计算方法 ：等效应力校核和补 强结构尺寸设计。 等效薄膜应力S I I 和等效总应力S t y ： 1 9 D s Km DD 。 S w 校核 ： s I I n II 【 o 】 S wn l v 【 o 其 中 ： n ll 取 2 2( 对于特殊要 求的压力容器 ， 可取 1 5 2 2 )； n l v 取 2 6； 【 o】 设 计温 度 下 材 料许 用 应 力， MP a ， 圆筒、 接管和补强件的材料不 同时， 取 其较小值。 值得注 意的是应力分析法 中的曲线 图 中每根 曲线 的起始 点和 结束点都是代表一 定 的适用范 围， 不允许外延 。 主要原 因是接 管相对简体来说太薄， 以致最大应力偏移到 接管上， 即造成最大应力点偏移 出理论考核 点 。 通 过 一 组 设 计 参 数 ：p = 0 5 MP a T =I 6 0 Di = 2 8 0 0 mm d i =1 4 0 0 mm 6 n = 1 6 mm 6 n t = 1 2 mm C = 2 5 mm进行计 算 ， 压力面积法和 AS ME法不需要补强圈即 可保证壳体开孔处安全， 而分析法中的等效 应力校核法却发现接管厚度不够， 在 曲线族 图中不能查出其集 中系数 K及 K m， 而且分 析法不提倡采用补强圈结构， 因此需要通过 增加接管厚度来保证强度 。 后来通过采用增 加接管厚度即补强通过。 由上可见， 对于 大开孔 、 直径与厚度之 比相差较大 的压力容器开孔 ， 等面积补强法 等方法算法简单， 不能全面考虑开孔处所有 的力 ， 故与分析法相 比， 其安全裕度 是不够 的。 而分析法是多位专家通过近二十 多年的 研究、 对 比试验结果及通过与有 限元分析对 比提出的方法， 且分析法是在前 9 8 版的基 础上增加