压力容器开孔补强设计分析

1、压力容器开孔补强设计分析6-4-1开孔补强设计概述为满足工艺操作、容器制造、安装、检验及维修等要求， 在压力容器上开孔是不可避免的。容器开孔以后，不仅整体强度受到削弱， 而且还因开孔引 起的应力集中造成开孔边缘局部的高应力。因此压力容器设 计中必须充分考虑开孔的补强问题。GBI50给出了通常压力容器壳体及平盖上的开孔补强方 法。所考虑的开孔容器部件有：圆筒壳、球壳（包括碟形封头上的球面部分）、锥壳、椭圆形封头及平盖。为避免开孔引起更高的应力集中，GB 150规定开孔的形状仅限于圆孔和长短轴之比 <2的椭圆孔或长圆孔。容器开孔以后，强度必然受到削弱，但由于容器厚度在设 计中可能存在一定的裕

2、量，因此可利用其强度裕量，允许不 另行补强，判别条件见 & 3条。当开孔超出该条件时，则 必须通过计算来判断是否需要予以补强。容器补强可以有以下方式:a. 补强圈补强b. 厚壁管补强c .整体补强（包括增加壳体厚度）补强圈结构由于与被补强壳体间存在较大的不连续性因此，对其适用条件进行了限制，详见GBI50 8 . 4. 1条。开孔补强的计算方法分为两种：a。等面积法（GBI50）b。密集补强法（另一方法，JB4732）由于两种补强方法均以千定的假设为前提，因此有各自酌限制条件：a.等面积法：该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模 型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强 壳体

3、的一次总体平均应力作为补强准则。当开孔较小时，开 孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，因此上述假 设可以适用。但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在 很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力，故对该方法 须规定适用条件。各种壳体上所允许开孔的最大直径见GBI508 . 2条的规定。b。密集补强方法(另一方法)：此法是以壳体极限分析为 基础的，相对等面积法合理得多。但须受开孔壳体和补强接 管的尺寸限制，壳体适用条件见JB4732 10 . 3. 1条。等面积法是压力容器开孔补强计算中应用最广泛且较简 便的方法，有关内容简述如下：等面积法顾名思义是：壳体截面因开孔被削弱的承受强度 的面积，

4、须有补强材料予以等面积补偿。其实质是壳体截面 因开孔丧失的强度，即被削弱的“强度面积” A乘以壳体材料在设计温度下的许用应力c ) t，即A a ) t ,应由补强 材料予以补偿。当补强材料与壳体材料相同时，则补强面积 就等于削弱的面积，故称等面积法。对补强材料与壳体材料 不同的情况，当补强材料的许用应力小于壳体材料时，应按 壳体材料与补强材料许用应力之比增加补强面积；反之，所 需补强面积也不得减少。壳体开孔以后，在开孔边缘产生局部高应力。 根据局部应 力的分布衰减规律，在离开孔边缘较远处其应力便恢复到正 常水平。为有效发挥补强材料的强度，补强材料应设置在开 孔附近的高应力区域，即有效补强范围

5、内。有效补强范围分布在开孔壳体和接管两部分上。开孔壳体上的有效补强范围：主要是以受拉伸开孔大平板 的孔边应力的衰减情况进行考虑的，即补强范围取为2倍开孔直径。接管上的有效补强范围：是以端部受均布载荷的圆柱壳的边缘应力的衰减情况进行考虑的，即补强范围取（d 开孔直径，8 nt接管名义厚度）。补强计算时，在有效补强范围内的所有多余面积 （即有效 厚度提供的面积扣除壳体或接管本身强度所需的面积 ）均可 作为补强面积。容器壳体及平盖因开孔削弱须补强的面积，按CBI50 & 5的规定。以上计算是以容器单个开孔， 即开孔不受邻近开孔的影响 的情况为基础的。当相邻开孔间距小于两倍开孔平均直径时，开孔

6、补强计算要求见CBI50 8 . 8条。对开孔率超过规定的大开孔，可采用应力分析法、试验验 证方法及对比经验方法进行设计。6-4-2壳体与平板开孔补强的区别平板在内压力作用下（外压力情况亦同），板中产生的是弯 曲应力，即一次弯曲应力。平板开孔以后，由于抗弯截面系 数减小，抗弯强度受到削弱。为此对板的补强准则为：应使 补强后平板的弯曲强度与开孔前保持不变。当补强材料与平板材料相同时， 则意味着应使补强后板的 抗弯截面系数与开孔前保持不变。这是与壳体开孔补强要求 的不同之处。设一圆平板如图所示：板厚为占8 0,直径为do,在板中心，开设直径为 d的孔，补强材料的厚度为8 ,补强板直径与平板相同。d

7、o8i则：圆平板开孔前的抗弯截面系数Zo=圆平板开孔后与补强板(焊成一体)的组合抗弯截面系数 为：(必-/)(&+疔Z/Zo= 礙応=( 1-d/do)(1+ 8 / 8 o)2。平板开孔被削弱的截面积Ao=d 8 o补强板的截面积A: (d。一 d) 8设补强面积与开孔面积之比为kk=A/Ao=(do-d) 8 /d 8 o根据平板开孔补强准则，则有Z/Zo=1即：(1-d/do )(1+ 8 / 8 o) 2=1将(2)式代入(3)并以简化后可得k与d/do的关系式:k2-2(1 -do)k+(1 -do/d)=O求解该一元二次方程，得k=(1 do/d) 士" (1 d

8、o/d)2 (1 do/d)因k必为正值，故k=(1 Jo / d)+ V (1 do/d)2 (1 do/d)可见平板开孔所需补强面积 A与开孔面积Ao之比k，随 平板直径do与开孔直径d之比do/d而变化。取do/d不 同值，可得相应A值如下表。do / d1 . 526 8410A0 . 3660 . 4140 . 4640 . 4770 . 4830 . 487由于平板开孔有效补强范围取为2倍开孔直径，即补强板直径do取2d, do/d=2,故相应之应k= ; 0. 414，即平板开孔所需的补强面积仅需开孔削弱的强度面积的0. 414倍为此，标准中规定了平板所需补强面积为0. 5倍的被

9、削弱的强度面积。这实际上已是偏于安全的要求。以上所述即是平盖开孔直径 d< 0.5 Di （Di 圆平板直 径）且采用补强板的情况。当 d>0. 5Di时，由于圆平板被开 孔以后，板截面宽度较小，此时，“圆平板”已趋向圆环（板 截面的宽度与板厚相当），其受力状况与圆环相接近，故宜 按法兰进行计算。由以上分析可知，就标准& 6条的计算方法，平盖开孔所需补强面积比相应壳体开孔所需补强面积可少一半，乃是 两种不同补强要求引起的结果。6-4-3内压容器与外压容器开孔补强的区别？答：由于外压容器失稳时表现为周向弯曲， 因此对壳体开 孔的补强准则，即与平板相同。为此标准 8. 5. 2

10、条对外压 容器开孔补强面积仅取 0.5倍的开孔削弱的“稳定面积”， 可谓半面积法。其与内压容器的等面积补强正好相差一半平板受力方式不分内压、 外压，都是承受弯曲应力，只不 过两者应力方向相反而已。其开孔补强要求是相同的，故可 按内压平板进行计算。6-4-4等面积法与另一方法的比较 ？答：等面积法，由于仅从计算截面的一次平均应力概念出发，只考虑壳体计算截面的承载能力与内压力的平衡，因此 是属于满足静力强度的简单方法。它对开孔结构安定性的保 障是通过双向受拉伸的无限大平板开孔问题所导出的孔边 应力集中系数3的模型近似加以考虑的。 不过，此法由于经 过长时间的使用实践，对一般压力容器使用条件也能满足

11、安 定性要求，因此在工程设计中有着广泛的应用。此法因未涉及峰值应力的疲劳强度问题，因此不适用于有疲劳强度要求的开孔设计。另一方法是从“安定性”概念出发，将局部高应力点的虚拟应力限制在2 a s以内以内，从而使开孔接管区保持安定。等面积法是建立在一次加载方式下静力强基础上的补强方法，以“大平板”作为计算模型，且以整个壳体计算截面的平均应力的概念进行计算；“另一方法”的模型和分析结 果比较符合实际开孔的情况，计算较为合理，一般计算结果 所需补强的面积也比等面积为小，相对较为先进合理。但是 由于对开孔直径和形状、补强结构和材料有苛刻限制，故使 本方法的应用受到很大制约。6-4-5等面积法与压力面积法

12、的比较 ？'答：压力面积法是西德 AD规范中采用的开孔补强方法， 其适用范围可较等面积法为大。当开孔率超出等面积法适用 范围时，HG则推荐采用该法进行设计。其实，压力面积法与等面积法一样，都是基于静力强度， 且以壳体截面的承载能力与内压力相平衡为准则的计算方 法。两种计算方法虽然形式不同，但实质是完全相同的。关 于两种计算方法的详细比较见“压力面积法开孔补强设计 方法分析”一文（石油化工设备技术1987年1期）。应指出的是：这两种计算方法中对壳体有效补强范围的取 法是不同的。等面积法：对壳体有效补强宽度月取为2倍开孔直径d, 即B=2d，这是以大平板开孔的应力集中分布范围进行考虑 的。

13、B的取值是以壳体边界即b=C7 ,其中：dB直接与开孔直径相B与壳体直径及厚度有压力面积法：对壳体有效补强范围 效应的局部应力衰减范围进行考虑的。 壳体内径，8 一壳体有效厚度。可见等面积法的壳体有效补强宽度 关。压力面积法的壳体有效补强宽度 关。因此对较大直径的壳体上较小的开孔，压力面积法的有 效补强宽度召可比等面积法大得多。反之，对较小直径的壳 体上较大的开孔，等面积法的 B则比压力面积法的 B为大。由于有效补强宽度 B直接影响有效补强面积的大小， 故关 系到所需补强面积的多少。对一般较大直径容器上的接管， 由于二往往大于d，因此压力面积法的有效补强宽度B较大，有效补强面积相应较多，则所需补强的面积就较少。由 此产生压力面积法比等面积法先进的看法，实际上仅是一种 误解。特别应强调指出的是：压力面积法和等面积法一样，都不适用于有疲劳强度要求 的开孔补强计算。当开孔率超出CBI50的规定范围时，应考虑进行详细的应 力分析或有成功使用经验的对比经验设计。6-4