開孔補強設計分析法與焊制三通計算法的比較

周 銘 徐莉萍

（液化空氣（杭州）有限公司)

圓柱殼開孔接管結構在內壓作用下，由于主殼和支管連接處結構的幾何不連續，在相貫線區域會產生很高的應力集中，尤其是開孔率較大的接管，所以尋求各種合理的設計方法，保證該部位的安全運行非常重要。本文對圓筒徑向接管的開孔補強設計分析法[1]（以下簡稱 “開孔補強分析法”）與焊制三通計算法[2]進行了分析比較。

1 計算方法的介紹

開孔補強分析法：這是GB 150—2011《壓力容器》中新增的方法，該方法是根據我國自主研發的薄殼理論解得的。該方法在應力分析的基礎上提供了一種既便于應用、適用范圍更廣又具有必要精度的解析設計方法。它通過求解出等效的薄膜應力和總應力集中系數，采用第一強度理論周向薄膜應力的計算方法和公式，分別計算出開孔處的等效薄膜應力和等效總應力，并分別進行應力評定。其求解的精度與適用范圍得到了精細網格的三維有限元解的成功驗證。

焊制三通計算法：焊制三通在化工設備、化工管道以及鍋爐蒸汽系統中應用相當普遍， 其實質也是一種開孔結構，開孔率一般也比較大。GB/T 9222—2008《水管鍋爐受壓元件強度計算》[3]中對焊制三通的計算思路和開孔補強分析法相似，它是在大量的試驗研究和有限元分析計算的基礎上，得到計算強度減弱系數的解析式，將其代入第一強度理論周向薄膜應力的計算公式中，分別得到主管和支管的計算厚度。這種計算方法也被錄入到HG/T 20582—2011《鋼制化工容器強度計算規定》中，同樣也能采用SW6軟件計算。

兩種計算方法的適用范圍如表1所示。

表1 兩種計算方法比較

綜上所述， 這兩種計算方法均適用于大開孔，其設計方法都不是面積補強法，兩者本質上都是通過試驗和有限元分析找到開孔處的應力集中系數或強度減弱系數的計算公式，進而計算出開孔處局部應力，再進行應力評定；但開孔補強分析法基于塑性極限和安定性準則，分別計算出薄膜應力和整體應力，而焊制三通計算法采用的是彈性理論，沒有對應力分類。

2 實例分析

圖1 某圓筒徑向接管結構

對同時滿足兩種計算方法適用范圍的開孔結構，計算比較如下。圖1所示為某圓筒徑向接管結構，設計壓力為3.5 MPa，設計溫度100℃，腐蝕余量2.0 mm。筒體外徑660 mm，筒體壁厚16 mm， 材質為 Q245R； 接管尺寸為 ?406 mm×12 mm，材質Q245R，接管外伸長462 mm。開孔率ρ=d/D=0.613， di/Di=0.61≥0.5， β=Do/Di=1.051， 符合兩種方法的適用條件。現分別以開孔補強分析法和焊制三通計算法進行計算。

（1）開孔補強分析法。設計溫度下材料許用應力 [σ]t=147 MPa， 材料厚度負偏差C1t、C1為 0.3 mm。計算結果如表2所示。采用開孔補強分析法，該接管的開孔補強不滿足要求。

表2 開孔補強分析法計算結果

（2）焊制三通計算法。采用焊制三通計算法的計算結果如表3所示。該開孔補強滿足要求。

按同樣計算方法計算不同開孔組合，結果如表4所示。

3 結論

焊制三通較多用于化工管道。焊制三通管道的載荷可能比壓力容器開孔復雜。焊制三通也有可能在現場施焊制作，與壓力容器上的開孔相比，存在著制造質量更不穩定、操作條件更復雜的情況。

由以上計算比較可知：對于同時滿足兩種計算方法適用范圍的開孔結構，采用焊制三通計算法更容易通過，而采用開孔補強分析法更偏安全。理論上焊制三通計算法不像分析法那樣需要對應力進行分類計算和評定。

表3 焊制三通計算法計算結果

表4 不同開孔組合時兩種計算方法的結果

鑒于以上所述，無論是理論計算還是制造要求，開孔補強分析計算法更全面周到。在應用焊制三通計算法進行管道三通設計時，對計算結果應給出更多的計算裕量，建議取計算裕量為7%以上。

[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] GB/T 9222—2008水管鍋爐受壓元件強度計算 [S].