天然氣管道工程用匯氣管大開孔補強計算

杜亮坡 東志紅 耿 正 高 楓 李恒東

（中國石油天然氣管道工程有限公司)

隨著國家經濟的快速發展，天然氣作為一種高效、清潔的能源，越來越受到人們的青睞。目前天然氣管道趨向于大口徑、高壓力和高強度的方向發展。為了順應天然氣管道的發展趨勢，天然氣工程用匯氣管的規格及開孔率也越來越大，而GB 150—2011《壓力容器》關于筒體開孔率≤0.5[1]的規定已經不能滿足匯氣管大開孔的要求，也就是說需另尋途徑對匯氣管大開孔進行補強計算。

1 大開孔補強計算方法介紹

目前國內大開孔補強計算的方法主要有壓力面積法[2]和應力分析法[3]。

壓力面積法的適用條件：

（1）適用于內壓圓筒形殼體、球形殼體的圓形開孔補強；

（2）開孔內徑與殼體外徑之比di/Do≤0.8；

（3）焊接應采用全熔透結構，尖角部位應倒圓角過渡；

（4）材料常溫下屈服強度與抗拉強度的比值小于等于0.67。常溫下抗拉強度最小值大于540 MPa的材料不宜采用，如需采用這類材料，其設計、制造、檢驗應加以嚴格要求；

（5）焊縫應采用射線或超聲檢測；

（6）在應力敏感的情況下不宜采用壓力面積法開孔補強；

（7）在蠕變或脈動載荷的情況下不應采用壓力面積法開孔補強。

應力分析法的適用條件：

（1）適用于內壓作用下具有徑向平齊接管的圓柱殼；

（2）圓柱殼、接管和補強件的材料，其常溫下的屈服強度與抗拉強度下限值之比≤0.8；

（4）焊接采用全熔透結構，確保補強結構的整體性；

（5）殼體與接管之間角焊縫的焊角尺寸應分別不小于δn/2和δnt/2，接管內壁與殼體內壁交線處圓角半徑在δn/8～δn/2之間；

（6）對殼體或接管進行整體補強，必須滿足補強范圍的尺寸 （自管、殼交線至補強區邊緣的距離）要求： 對于殼體，l＞； 對于接管，l＞，或整體加厚殼體；

（7）應力分析法適用于下列參數范圍：開孔率ρ0≤0.8,max[0.5,ρ0]≤δet/δe≤2。

2 壓力面積法與應力分析法的區別

壓力面積法與應力分析法的區別主要是設計上采用的失效準則和強度理論不同。壓力面積法采用彈性失效準則，當容器內某最大應力點達到屈服極限時，即認為容器喪失了純彈性狀態而失效，其采用的是第一強度理論，以第一主應力作為控制應力。應力分析法采用塑性失效準則和彈塑性失效準則，允許容器結構出現可控制的局部塑性區，允許對峰值應力部位作有限壽命設計，其采用的是第三強度理論，以第一主應力和第三主應力作為控制應力。由于壓力面積法與應力分析法所采用的失效準則和強度理論不同，因而材料許用應力的取值也有所不同。

壓力面積法材料的許用應力為下列各值中的最低值：

（1）常溫下材料抗拉強度下限值Rm的1/2.7；

（2）常溫下材料屈服強度 （0.2%、1.0%非比例延伸強度）ReL(Rp0.2、Rp1.0）的1/1.5；

（3）設計溫度下材料的屈服強度 （0.2%、1.0%非比例延伸強度）(、）的1/1.5；

（4）材料在設計溫度下經10萬小時后斷裂的持久強度平均值的1/1.5；

（5）材料在設計溫度下經10萬小時后蠕變率為1%的蠕變極限平均值的1/1.0。

應力分析法材料的許用應力為下列各值中的最低值：

（1）常溫下材料抗拉強度下限值Rm的1/2.4；

（2） 常溫下材料屈服強度 ReL（Rp0.2）的 1/1.5；

（3）設計溫度下屈服強度RteL(Rtp0.2）的1/1.5。

壓力面積法與應力分析法除在設計方面有所不同外，在制造、檢驗和驗收方面也有所不同，相對來說應力分析法在制造、檢驗和驗收方面要比壓力面積法嚴格。

3 匯氣管大開孔補強計算

下面以某一實際工程中的天然氣管道匯氣管大開孔補強為例，分別用壓力面積法和應力分析法對其進行大開孔補強計算。圖1為某天然氣管道匯氣管結構，匯氣管的設計壓力為6.3 MPa，設計溫度為60℃，腐蝕裕量為2 mm。筒體內徑為600 mm，筒體壁厚為22 mm，材質為Q345R。接管的尺寸為?451 mm×32 mm，材質為16MnⅢ，接管的外伸長度為200 mm。按照GB 150—2011《壓力容器》， 匯氣管的開孔率 ρ0= （451-2×32+2×2）/600≈0.65＞0.5，已經不能滿足該標準關于壓力容器開孔補強的規定。從壓力面積法和應力分析法的適用條件判斷，匯氣管的開孔補強滿足壓力面積法和應力分析法的要求?，F分別以壓力面積法和應力分析法對匯氣管的開孔補強進行計算。

圖1 匯氣管結構

（1）壓力面積法

殼體補強的有效寬度：

由于匯氣管殼體和接管的材質不同，按下式進行補強計算：

式中[σ]——殼體材料的許用應力,為185.1 MPa；

[σ]1——接管材料的許用應力,為166.6 MPa；

Aσ0——殼體上有效金屬面積，為2 827.5 mm2；

Aσ1——接管上有效金屬面積，為4 194.0 mm2；

Ap——補強有效范圍內的壓力面積，為131 391.3 mm2；

p——設計壓力，為6.3 MPa。

由此可知，用壓力面積法該匯氣管的接管開孔補強滿足要求。

（2）應力分析法

根據JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》附錄J的規定進行下述計算。

殼體中面直徑：

由 ρ0、 λ、 δet/δe查 JB/T 4732—1995 《鋼制壓力容器——分析設計標準》附錄J曲線圖組J-2，當 ρ0=d/D=0.6時， Km≈2.90， K≈4.60； 當 ρ0=d/D=0.7時，Km≈3.45，K≈4.55。根據內插法，當ρ0=d/D=0.66 時， Km≈3.23， K≈4.57。

一次局部薄膜應力強度:

滿足應力分析法開孔補強的條件為：

式中Di——殼體內徑，為600 mm；

do——接管外徑，為451 mm；

K——一次加二次應力強度集中系數；

Km——一次局部薄膜應力強度集中系數；

p——設計壓力，為6.3 MPa；

D——殼體中面直徑，為620 mm；

d——接管中面直徑，為421 mm；

Sm——殼體設計應力強度，Q345R的設計應力強度為208.3 MPa;

δn——殼體名義厚度，為22 mm；

δnt——接管名義厚度，為32 mm；

δe——殼體有效厚度，為20 mm；

δet——接管有效厚度，為30 mm；

C——腐蝕裕量，為2 mm；

ρ0——開孔率；

λ——參數。

經計算，2.2Sm=458.3 MPa，2.6Sm=541.6 MPa，因此SⅡ≤2.2Sm和SⅣ≤2.6Sm的條件滿足，即應用應力分析法該匯氣管的接管開孔補強滿足要求。

4 結論

綜上所述，當匯氣管殼體的開孔率不能滿足GB150規定時，可采用壓力面積法或應力分析法對殼體的開孔補強進行計算。壓力面積法和應力分析法的區別在于設計上所采用的失效準則、強度理論和適用條件不同。在大開孔補強計算時，應根據壓力面積法和應力分析法的各自適用條件進行選擇。

[1]GB 150.1～150.4—2011.壓力容器[S].

[2]HG/T 20582—2011.鋼制化工容器強度計算規定[S].

[3]JB/T 4732—1995.鋼制壓力容器——分析設計標準[S].