壓力容器開孔補強方法

馬軍偉（西安石油大學，陜西 西安 710000）

壓力容器開孔補強方法

馬軍偉
（西安石油大學，陜西 西安 710000）

摘要：在工程應用中經常需要為滿足各種工藝和結構上的要求在壓力容器上開孔和安裝接管。容器開孔以后，開孔的地方會形成較大應力，這時需要進行補強，本文列舉了一系列容器開孔方法，如等面積法、分析法以及壓力面積法等。關鍵詞：大開孔；補強；壓力容器

1　前言

隨著石油化工技術以及海洋和空間等技術的發展，壓力容器結構也不再像傳統容器結構那樣簡單。工藝以及結構需求的不同，使得容器的許多受壓元件均要開孔接管，有時還需設計直徑大于800mm的大開孔。容器通過進行開孔，可以減弱其整體強度，使開孔邊緣應力過于集中。按照JB4732規范提到的應力分類，容器開孔后的應力有以下幾種：相貫線殼體變形造成的應力及峰值應力等等。

在容器設計制造中，國內對容器接管開孔補強一般采用以下幾種方法：補強圈補強及厚壁接管補強等。當補強圈補強與殼體厚度相等時，補強圈由于面積過大從而不能集中補強，而且殼體本身和殼體上的其它部件通常也會限制補強圈面積，因此補強圈補強一般適用于容器應力水平低，材料塑韌性好，且容器的工作條件比較優良的場合。當采用厚壁接管補強時，由于接管與筒體的壁厚相差較大，增大了現場焊接難度和制造成本，若再出現接管力和接管彎矩作用時，接管的設計壁厚將急劇增加，將無法實現接管壁厚補強，因此接管壁厚補強一般適用于像儀表口等小直徑接管的補強；而整體鍛件補強由于受到鍛件制造工藝的約束，目前一般用于封頭人孔接管的補強，其結構尺寸大（DN500），成本高，制造難度大，周期長。以上幾種補強對小直徑接管來說，優勢非常明顯。但對于容器直徑較大的（>800mm）開孔接管補強，會因為它的根部峰值應力過大，使得裝置運行后，造成容器襯里脫落，甚至可能會造成裝置停車。從這個角度來看，傳統的接管補強方法已經不能滿足大型化裝置。針對以上情況本文介紹幾種常用的壓力容器大開孔計算方法。

2　常規的開孔方法

2.1等面積法

2.1.1適用范圍

這種方法適合壓力下的殼體與平封頭上的圓型及橢圓形等形狀開孔。當在殼體上開孔時（橢圓形或長圓形），孔長徑比上短徑數值應在一定數值范圍內（≤2.0）。

（1）圓筒內徑Di≤1500mm時，開孔最大直徑dop≤Di/2，dop≤520mm；圓筒內徑Di≥1500mm時，開孔最大直徑dop≤Di/3，dop≤1000mm；

（2）凸型封頭直徑最大值為dop≤Di/2；

（3）錐形封頭開孔直徑最大值為Di/3，Di為開孔中心的錐殼內徑。

2.1.2開孔補強的面積計算

等面積設計法的基本公式A4≥A-Ae。

A為所需補強面積

A=dopδ+2δδet（1-fr）

式中：對于安放式接管取fr=1.0；δ—計算厚度，mm，δet—接管有效厚度；

Ae=A1+A2+A3

Ae—補強面積，mm。

其中A1、A2分別為在補強有效范圍內殼體、接管除承受壓力所需厚度之外的多余截面積；A3焊縫金屬截面積，A4有效補強范圍內另加的補強面積，mm2。

2.2分析法

分析法指依據彈性薄殼理論得出的一種應力方法。它主要被用在內壓作用下的開孔補強設計中，其中d≤0.09D，max[0.5，d/D]≤δet/δt≤2

d為接管中面直徑（單位mm）。D為圓筒中面直徑（單位mm）。

圖1 壓力面積法

3大開孔補強方法

3.1壓力面積法

這種方法是德國壓力容器規范中使用的一種補強方法，開孔率為0.8。壓力面積法經常被應用于工程中，對超出等面積法適用范圍的開孔進行補強。壓力面積法通式如下

（Ap/Aδ+1/2）P≤[δ]

Ap為壓力作用面積（有效補強范圍內）

Aδ=hδ+h1δ1

Aδ為殼體、接管等有效承載面積；P為圓筒設計壓力；[δ]為補強材料許用應力；h，h1為筒體補強長度和接管補強高度。

采用壓力面積法，應該注意以下幾個問題：

（1）接管與殼體應全焊透，為了避免接管與殼體連接壁尖角過度，應該采用圓角過度；

（2）接管、殼體等材料曲強比需要滿足δs/δb≤0.67。此外，還應該避免標準常溫抗拉強度過大（δb＞540MPa）的材料；

（3）需要對接管、殼體間焊縫進行無損檢測；

（4）該方法對介質對應力敏感的場合不適用；

（5）該方法需要避免產生蠕變或脈動載荷的場合。

3.2極限壓力法

該方法以塑性失效為準則。該方法認為：結構的初始屈從，不能說明承載能力已經喪失。但是當容器特定區域截面進入塑性狀態（甚至是塑性流動）時，視其失效，對應載荷稱為極限載荷。因為該原則對開孔周圍應力區有很大的應力許用值，所以常常被用在壓力容器的大開孔補強當中。

通過塑性理論分析和實驗等方法能夠得到極限荷載。具體方法是：首先，畫出載荷—應變曲線；其次，依兩倍彈性斜率法或者1%塑性應變載荷法等方法測出相貫線應力區的極限載荷。此外，對柱殼開孔結構以及極限載荷上限經驗，得出計算公式為Pl=gPs。

3.3有限元法

20世紀70年代開始，壓力容器和對應的軟件技術行業迅速發展。在這個發展過程中，三維有限元法得到了廣泛應用。三維有限元的計算和單元形式以及網格劃分方法緊密相聯，選用不正確可能會造成計算結果誤差。此外，還需要對三維有限元計算結果進行分類，特定種類的應力對應特定的許用值。

結語

壓力容器的開孔補強如果開孔率符合GB150中的適用范圍通常采用等面積法，超過規范范圍的則采用壓力面積法、極限壓力法、有限元法。其中壓力面積法和等

面積法在強度計算理論上是完全相同的，只是在對殼體補強有效范圍的規定上，二者各取兩個影響因素的一個，從而導致在開孔相對尺寸di/Di值不同時各偏于“偏冒進”或“偏保守”的現象。極限法和等面積法類似，是一種建立在靜力強度上的補強方法。但是等面積法的計算模型基礎是受拉伸開孔大平板，而且其計算靠整個殼體截面的平均應力進行；極限壓力法的基礎是殼體模型，并且依極限載荷來完成計算。

大開孔率過大的補強問題，還沒有完整的設計規范，因此在重要的情況下，需要采取保守做法。比如選用安全系數高的設計、制造過程采用全焊透結構、進行無損檢測以及進行熱處理等方法。同時，考慮到各種補強方法的適用范圍，最好將計算的應力值和現有可靠試驗值進行對比，或者采用其他補強方法進行校對。

參考文獻

[1]劉寶慶，蔣家羚.壓力容器大開孔補強方法[J].2001（09）.

中圖分類號：TQ050

文獻標識碼：A