圓筒體上非徑向接管的開孔補強計算

薛愛芳 雷威躍 王笑真

(1.三門峽化工機械有限公司；2.洛陽綠景環保科技有限公司)

化工設備設計時，為滿足介質的進出或安裝檢修的要求，需要在殼體上開孔，這將造成器壁強度削弱，產生應力集中，幾乎在每臺設備的計算中都會出現開孔補強計算。圓筒體上接管的方向有3種：徑向、斜向、切向，斜向和切向接管會在筒體上產生非圓形開孔。在各種補強法中最常見、使用頻率最高的是等面積法。等面積補強法以補償開孔局部的拉伸強度為補強準則[1]，其理論依據是無限大平板上開小圓孔的孔邊應力分析作為依據，未涉及開孔邊緣的應力集中問題，僅就開孔截面的邊緣應力進行考慮，開孔區局部高應力的安定問題是通過限制開孔形狀、長短徑之比和開孔率間接加以考慮的，使孔邊的局部應力得到一定的控制[2]，所以，當在殼體上開橢圓形或長圓形孔時，孔的長徑與短徑之比應不大于2[3]。

1 工程實例

某設備公稱直徑1 800mm，殼體厚度10mm，筒體上設置距設備中心670mm的切向接管，規格φ480mm×10mm，材料為Q345R，加φ1 200mm×14mm的補強圈。該設備在2008年曾經設計并經強度計算合格， 2009年實施《固定式壓力容器安全技術監察規程容規》[4]，2011年發布GB 150.1～GB 150.4-2011[3]，在2012年重新復用設計時發現開孔補強計算結果與原結果不同。設備設計參數如下：

設計壓力 1.6MPa

設計溫度 100℃

主要受壓元件材料 Q345R

腐蝕裕量 0mm

接頭系數 1

2 計算過程

同一設備設計了兩次，分別按GB 150的新、舊版本為計算依據。2008年計算時使用的文獻[5]中規定“殼體上的開孔應為圓形、橢圓形或長圓形。當在殼體上開橢圓形(或類似形狀)或長圓形孔時，孔的長徑與短徑之比應不大于2.0”，但沒有對如何選取開孔補強的計算截面作出規定，工程設計人員只有依照文獻[5]中圖 8-1，理解為等面積補強法不能用于殼體的非徑向接管的補強計算，此時非徑向接管開孔補強計算應按照文獻[6]中“非徑向接管的開孔補強計算”，選取了0、90°兩個截面進行補強計算；2012年計算時，文獻[5]中6.3.3.1條明確了非徑向接管開孔補強時計算截面的選取方法“……，對于圓筒或錐殼開孔，該截面通過開孔中心點與筒體軸線；……。”，所以在計算非徑向開孔時選用文獻[3]中的等面積補強法計算，上述兩種計算過程分別如下。

按文獻[6]中的非徑向接管的開孔補強進行計算：

當與圓筒軸線截面相交(90°)時，應力校正系數F=0.5，則：

A=dδF+2δ(δnt-C1)F(1-fr)=3 872.5mm2

A1=(B-d)(δeφ1-Fδ)-2(δnt-Ct)(δeφ1-Fδ)×

(1-fr)=5227.5mm2(取B=1820mm)

A3=5×5=25mm2

A1+A2+A3>A，所以，對于和圓筒軸線相交90°截面，不需要另行補強。

當與圓筒軸線截面平行(0°)時，應力校正系數F=1.0，則：

A=dδF+2δ(δnt-C1)F(1-fr)=3915.1mm2

A1=(B-d)(δeφ1-Fδ)-2(δnt-Ct)(δeφ1-Fδ)×

(1-fr)=685.0mm2(取B=920mm)

A2=2h1(δnt-Ct-δt)fr+2h2(δnt-Ct-C2t)fr=1061.4mm2

A3=5×5=25mm2

A1+A2+A3A，補強計算合格。

按文獻[3]中的等面積補強法進行計算：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=3520mm2

A1=(B-dop)(δe-δ)-2δet(δe-δ)(1-fr)

=1080.0mm2

A2=2h1(δet-δt)fr+2h2(δet-C2t)fr=1091mm2

A3=6×6=36mm2

A1+A2+A3A，補強計算合格。

3 計算結果分析

兩次計算所選取截面數量不同，但都包括垂直設備軸線的計算截面，使用的補強方法都是等面積法，計算結果卻有所不同，原因是在2008年的計算中，[δ]t取170MPa，而文獻[4]于2009年實施后，在2012年的計算中[δ]t取198MPa。若在2012年的計算中仍取[δ]t=170MPa，則其計算結果與2008年的計算中平行于圓筒軸線截面時的結果完全相同。

圖1 設備開孔示意圖

4 結束語

通過比較兩種計算方法發現，工程設計中在進行非徑向接管的開孔補強計算時，需將非徑向接管和殼體相交而構成的開孔作為長圓孔考慮并限制其長徑比不大于2，補強數據按徑向接管時的數據輸入，補強圈需要放樣、下料，并保證其單邊有效寬度不得小于接管徑向時補強圈的單邊寬度，補強圈外徑按正圓計算時，需保證開孔長徑方向處的單邊寬度來下料。

[1] [日]野原石松著，黃震堯，王允昌，鄭錄，等譯.壓力容器[M].蘭州：蘭州石油機械研究所，1979.

[2] 李世玉.壓力容器設計工程師培訓教程[M].北京：新華出版社，2005.

[3] GB 150.1～GB 150.4-2011，壓力容器[S].北京：中國標準出版社，2011.

[4] TSG R0004-2009，固定式壓力容器安全技術監察規程[S].北京：新華出版社，2009.

[5] GB 150-1998，鋼制壓力容器[S].北京：中國標準出版社，1998.

[6] HG 20582-1998，鋼制化工容器強度計算規定[S].北京：中國計劃出版社，1998.

[7] JB/T 4736-2002，補強圈[S].昆明：云南科技出版社，2002.