某試驗用壓力容器平蓋開排孔設計計算方法探討

趙彬彬 金東杰 張 焱 馬計中 賈金付

（中核能源科技有限公司）

某試驗用壓力容器的工作介質為去離子水和氮氣，由于該設備有清潔度的要求，其筒體和上封頭均采用不銹鋼復合板， 底部平蓋采用20MnMo堆焊不銹鋼材料。 為模擬反應過程產生的熱量，需在底部平蓋上設置121根電加熱棒元件，則底部平蓋得開121個排孔，平蓋通孔與電加熱棒套管為過盈配合。 由于危險截面上排孔相鄰兩孔中心距小于兩孔平均直徑的1.5倍，不能滿足GB 150.3—2011 《壓力容器 第三部分：設計》 中有關平蓋上開多個孔計算方法的適用范圍［1］，為探究此平蓋上開排孔的設計計算，筆者分別采用GB 150.3—2011中殼體開排孔的補強要求、 平蓋開當量單孔的補強方法和按GB/T 151—2014《熱交換器》將平蓋類比成管板［2］進行設計計算的3種方法，對開有排孔的平蓋進行強度計算和分析。

1 平蓋排孔形式

壓力容器底部平蓋上設有121根電加熱棒，電加熱棒套管穿過?27.25 mm的排孔與底部平蓋焊接，平蓋上的電加熱棒套管安裝孔如圖1所示。電加熱棒套管與平蓋通孔采用過盈配合，套管頂部外伸出堆焊層3 mm并與底部平蓋堆焊層采用角焊縫連接；電加熱棒從套管中穿過，其底部與套管焊接。

圖1 平蓋上的電加熱棒套管安裝孔示意圖

2 平蓋設計計算

2.1 采用殼體上開排孔的計算方法

殼體上開排孔時，采用排孔削弱系數代替焊接接頭系數，進行殼體厚度計算。 若參考此方法對開排孔平蓋進行校核，應注意殼體的受力狀態不同于平蓋。 對于受內壓圓筒，環向應力是軸向應力的兩倍，當排孔沿軸向規則分布且管孔節距每排相等時，應計算軸向孔排削弱系數；對于規則的多排軸向排孔，應校核當量軸向排孔削弱與對角向排孔削弱， 而平蓋任意方向受力一致，因此應取任意徑向截面的削弱系數的最小值，任意徑向削弱系數ν1的計算式為：

式中 dop——開孔直徑，mm；

S1——管孔的軸向節距，mm。

經計算得徑向削弱系數ν1=0.27。

對GB/T 150.3—2011標準中平蓋厚度計算公式加以修正，用排孔削弱系數代替公式中的焊接接頭系數， 則開排孔后平蓋的計算厚度δp的計算式為：

式中 Dc——平蓋計算直徑，mm；

K——結構特征系數；

pc——計算壓力，MPa；

［σ］t——設計溫度下平蓋材料的許用應力，MPa。由式（2）算得底部平蓋的計算厚度δp=392 mm。

2.2 采用平蓋當量開孔的計算方法

螺栓墊片連接的圓平蓋在受內壓情況下將產生彎曲變形，最大應力在中心區，主要應力類型為一次彎曲應力，開孔導致底部平蓋的抗彎截面模量減小、強度削弱。 平蓋上相鄰通孔之間有9.75 mm的孔橋， 它對開孔補強具有一定的加強作用。 可保守地忽略孔橋的加強作用，將121個通孔近似看成一個當量圓形開孔，當量圓形開孔的直徑覆蓋整個正方形開孔區，取正方形開孔區的對角線長度為當量開孔的直徑， 按GB/T 150.3—2011平蓋開單個孔的補強計算方法，對平蓋進行開孔補強計算。

對于平蓋開單個孔，且開孔直徑dop≤0.5D0（D0為平蓋計算直徑），開孔削弱所需的最小補強面積A為：

只考慮平蓋有效厚度減去計算厚度之外的多余面積，忽略接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積和焊縫金屬截面積，則平蓋當量開孔后可作為補強的截面積A1為：

式中 B——有效寬度，mm；

δe——殼體開孔處的有效厚度，mm；

δ——殼體開孔處的計算厚度，mm。

當A≤A1時，補強滿足要求，即：

由式（5）算得排孔平蓋滿足補強要求的最小計算厚度δ=302 mm。

2.3 類比成管板的計算方法

GB/T 151—2014中將管板看成兩部分：一部分是中間受排孔削弱的圓平板；另一部分是邊緣的非布管區［3］。 對于U形管板只考慮管孔的開孔削弱系數μ=0.4，換熱管對管板沒有加強作用。 類似的，由于本平蓋周邊用螺栓固定，將平蓋視為受開孔削弱的當量簡支圓平板，開孔削弱系數按U形管板的開孔削弱考慮［4］，所以由內力pc和法蘭彎矩M引起的應力疊加得到該管板的最大應力，最大應力σmax的計算式為：

由式（7）算得管板計算厚度δ=210 mm。

3 計算結果匯總

將3種計算方法的結果列于表1。 由表1可知，殼體上開排孔的方法和平蓋當量開孔的計算方法都是遵循GB 150—2011中關于開孔的補強法則，因依據第一強度理論，故應力水平都按1.0倍許用應力進行評價；底部平蓋類比成管板的理論基礎遵循GB/T 151—2014中的計算法則，因依據第三強度理論，故應力水平按1.5倍許用應力進行評價。

表1 3種計算方法的結果匯總

4 結束語

根據GB 150—2011中平蓋上開多個孔的計算法則（ν≥2K），算得削弱系數ν=0.44。 采用類比成管板的計算方法， 當換熱管中心距為1.25d時，削弱系數取0.40；按殼體上開排孔的計算方法，削弱系數取0.27， 顯然此法算得的平蓋厚度較厚過于保守； 按U形管換熱器管板的計算是一種解析法，計算結果得到的管板厚度最經濟。 另外，考慮到帶螺栓墊片平蓋的密封性，宜采用平蓋上當量開孔的計算方法，而該方法因忽略孔橋的加強作用，故其計算結果也偏于保守。