几种大开孔补强方法的分析比较

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元件上的开孔接管对元件会引起三方面的问题：-是因开孔而导致元件承载截面积的消弱，也可以说是元件承载能力的削弱，其值为d t 二是因开孔而在孔边引起的应力集中，其高应力的存在范围 (从接管外侧量起)大致为di/2；三是由于接管和元件的连接结构不连续而在连接处附近的元件和接管上引起附加的边缘应力，此应力在元件上和接管上的衰减长度分别和 、 成正比。这些问题的存在会导致接管周围应力增大、壳体承载能力降低，因此必须 补强”。

不同的补强方法基本原理都是针对上述三方面问题，规定有效补强范围，校核有效范围内的承载面积或者产生的最大应力满足限定值，从而保证结构安全。

关于压力容器上大开孔的补强设计规则计算方法，常用的有EN13445中的压力面积法、ASMEVM-1-附录1-10中的压力面积应力法、俄罗斯F O C T P 52857-3-2007中的极限载荷法以及GB150-201 1中的分析法。

以下简要介绍几种计算方法的适用范围和存在的差异，提出不同开孔率时的开孔补强计算思路。同时提出对分析法补充曲线的建议。

1几种补强方法原理及适用情况1.1压力面积法- 3R-压力面积法与等面积法在开孔补强的基本原理是-致的，都是基于以开孔有效补强范围内的金属面积承载能力与内压力载荷相平衡的静力平衡法，其补强范围与孔径大小有关，与开孔应力衰减范围相-致 (见图1)。

图1压力面积法补强结构图1.1.1适用于圆筒和锥壳带接管开孔率≤1.0；1.1.2接管与壳体间应采用全焊透结构，接管与壳体连接内外壁应避免尖角过渡，而采用圆角过渡；接管、壳体、补强件之间的焊接接头应进行无损检测；补强范围内应避免壳体焊接接头 ，如无法避免，该接头应100%检测合格；1.1.3接管、壳体、补强件的材料常温屈强比R。 /R ≤0.68。应避免采用标准常温抗拉强度R >540MPa的材料，如要采用，须在设计与检验等方面作特殊考虑；1.1.4不宜用于介质对应力敏感的诚；避免用于可产生蠕变或有脉动载荷的诚；化工装备 问题与对策1.1.5接管与壳体的有效厚度比值不超过图2所示比值，超出部分不计入补强计算。

圈7.4.1-11 用于设计计算的接管有效厚度比的隈制图2压力面积法厚度适用范围1.2美国ASMEⅥlI-1附录1-10压力面积应力法它认为在补强有效范围内各元件上的应力分布并不是均匀的，在临近接管处较其它各处为大，以校核补强范围内的局部-次薄膜应力在规定值内为满足；在容器补强有效范围的划定上，同时计及了开孔所引起应力集中及接管所引起附加边缘应力的存在范围。通过计算有效补强范围内各元件的截面积和它们所承受由压力引起的作用力，据此而计算平均局部-次薄膜应力，并将其可能引起的最大局部-次薄膜应力限于规范规定的许用值以下为满足 (见图3)。

b. t-l- j -- - ---lJ fL 1t l- 珏 fl 土 匪 上 Il图3压力面积应力法补强结构图 g： - ，PLmax[(2 o avg-a irc)，o i 承受内压时，PL 1.5SE承受外压时PL≤Fhs为材料的许用应力，E为开孔处的焊接接头系数；F 为许用压缩应力。

1.3 r O C T P 52857.3.2007中的极限载荷法它是以极限 (极限载荷)理论为基础推导出的计算公式。它认为在壳体的计算壁厚下 (没有多余金属)，存在-个不要补强的开孔计算直径 ，，并从所需补强面积中减去它所占据的面积；在容器存在多余金属条件下，存在不要求额外补强的单个开孔计算直径 。若果单个开孔的计算直径 ≤do，则后续的开孔补强不必进行，接管设计应满足强度和结构需要。如果c，，>do，则应采用增加容器或接管壁厚、采用补强圈、折边式嵌入环、开孔处壳体翻边等结构补强，并满足补强条件 (见图4)。

气i- - r/ l l I 、 l ，，，，，，， ，，， ， 、 - 如 -图4极限载荷法补强结构图1.3.1仅有压力载荷时，圆筒或锥壳上的开孔率 1.0；1.3.2除考虑压力载荷外，正交接管上还考虑轴向力和弯矩的作用时，圆筒上的开孔率≤0.8，当完成开孔补强计算后，应进行许用轴向力和许用弯矩计算，并进行联合载荷下的静强度校核。

1.3.3考虑开孔处壳体与接管的焊接接头系数，即不规定.开孔与焊缝之间的距离；1.3.4接管、壳体、补强件之间接头必须全熔透，圆角过渡。焊缝强度不计入补强计算。

化工装备 问题与对策它是根据弹性鼻理论，基于塑性极限和安定分析得出的，通过-次加载时有足够的塑性承载能力和反复加载的安定要求来保证开孔安全，通过限制开孔周围的等效薄膜应力和等效总应力在-定的范围内从而保证开孔处安全稳定 (见图5)。

图5分析法的力学模型1.4.1适用于开孔率 19≤0.9的圆柱壳体单个径向开孔，有内伸接管保守使用，非径向开孔、非圆柱开孔不适用，开孔率 19>0.9时不适用；1.4.2接管、壳体、补强件的材料常温屈强比R。L/R ≤0.8；1.4.3圆筒补强范围尺寸l> ；接管补强范围l > ；补强范围内的A、B类焊接接头不得有任何超标缺陷；1.4.4接管、壳体、补强件之间接头必须全熔透；角焊缝焊接尺寸满足要求；接管内壁与圆筒内壁圆角过渡；1.4.5接管有效厚度应满足：max[0.5，P 6。 /6。 2。

2各种计算方法的特点2.1压力面积法2.1.1适用范围大，圆筒与锥管上P≤1.0时，在结构、材料满足要求前提下，均可做开孔补强设计；2.1.2该法对孔边缘的应力强度只考虑满足-. . 40。

次总体及局部薄膜应力强度要求。其中第-局部薄膜应力的控制是通过限制有效补强范围内材料的平均薄膜应力在1倍o 以内来实现；没有考虑设置开孔接管后，由于内压P作用位置的差异引起的弯矩产生的弯曲应力问题；2.1.3补强有效范围规定仅和不连续应力的衰减范围√ 有关，没有考虑孔边应力存在范围di/2的影响。

2.1.4用公式方法直接计算出开孔处的最大允许工作压力P]。

2.2 ASME压力面积应力法2.2.1对壳体上的补强有效范围泉孔直径和壳体不连续应力衰减范围二者的较小值，兼顾了应力集中范围、边缘应力衰减区二者的影响；2.2.2该方法的原理主要是计算有效补强范围内壳体或接管的最大局部-次薄膜应力并将之限定于许用值以内。所以它既不限定最大允许开孔直径，又不对某些小直径孔规定不需补强，-切都按所计算得到的最大局部-次薄膜应力在规定的校核条件下为满足，适用范围更广。

2.23未限制开孔与焊接接头的位置关系，考虑了焊接接头系数的影晌，开孔位置较灵活。

2-3俄罗斯F O C T P 52857.3-2007极限载荷法23.1适用范围大，圆筒与锥管上P≤1.0时，在结构、材料满足要求前提下，均可做开孔补强设计；2.3.2在容器存在多余金属条件下 (这是必然的)，存在不要求额外补强的单个开孔计算直径反。若果单个开孔的计算直径c，， do，则后续的开孔补强不必进行，接管设计应满足强度和结构需要。只有 >do时，才需要通过加厚壳体、接管或设置补强圈的方法来实现补强需要。见式 (1)～ % -c，)Xl -eo- - -c) -- (1)≥o - >·化工装备 问题与对策所以，该标准中没有大开孔的明确定义。

2.3.3可以用公式 (2)直接计算出开孔处的最大允许工作压力[P。

ip/--2 xtO(J-c-力..[ o']--- (2)2.4中国GB150-2011中的分析法2.4.1仅适用于开孔率 19≤0.9的圆柱壳体单个径向开孔，非径向开孔、非圆柱开孔不适用，开孔率 p>0.9时不适用；2.4.2校核了开孔处的等效薄膜应力和等效总应力，经有限元分析，结果安全、可靠；2.4.3分析法没有考虑接管与壳体材料不相同时的强度折算系数，而是刚性地限制了接管厚度范围 (max[0.5，p 5。 /5。≤2)，同时受曲线包络范围的影响，6 et/6 el'，值过大时，设计结构虽然安全但由于厚度变化较大导致接管与壳体连接处局部边缘应力增大。

3举例说明各种计算方法的应用情况3.1容器编号V1205分馏塔顶油分离器，设计压力0.35MPa，设计温度200C，壳体与接管材料Q345R，盯 。183MPa，焊接接头系数均为0.85，总厚度附加量1.3mm♂构见图6，开孔率p0.83图6 例 3.1结构示意图分别用EN13445压力面积法、ASME法、r O C T P 52857.3-2007极限载荷法、GB150分析法分别计算如表1。

表1 开孔率 190.83时几种方法的计算对比 结果 tb10mm tb：] .2mm tb14mm 备注 方法 余量% [p]MPa 余量% [p]MPa 余量% [p]MPa 压力面积法 l7 0.41 30 0.46 45 O.5l 结构设压力面积应力法 23 0.43 31 0.46 39 0.49 计满足极限载荷法 5 O.36 23 0.4l 43 0.46 相应方分析法 f i 23 未计算 法要求注：表中第-行横 向数据为接管名义厚度 t由上表可见：3.1.1分析法计算时，只有在接管与壳体有效厚度之比大干开孔率时，才能够被标准中的曲线包络予以计算；3.1.2相同接管厚度时，分析法的补强余量小于其它三种方法，结构设计安全性高，保守-些。

3.1.3分析法没有计算开孔处最大允许设计压力p]；相同条件下，其他方法都能计算p]。

3.1.4除分析法外，相同条件下，极限载荷法计算出的p最小，相对安全性高；压力面积法计算出的[p最大，则偏于 冒进”。

3.2将图6中的开孔调整为 2200，开孔率p0.92。重新用上述方法计算，见表2。

显然，当开孔率 p>0.9时，分析法不适用，而其他方法都适用；极限载荷法相对要保守-些。

3.3容器编号V 1 2 1 2分汽缸 ，设计压力1.6MPa，设计温度350℃，壳体DN500，材料Q345R，[o350143MPa，焊接接头系数均为. 41-化工装备 问题与对策表2 开孔率 P0.92时几种方法的计算对比、 结果 t10mm tl2mm t14mm 备注方法 补强余量% [P]MPa 补强余量% [P]MPa 补强余量% [P]MPa压力面积法 9 O.38 22 O.43 36 0.48结构设计 压力面积应力法22 0.43 30 0.46 37 O.48满足相应 极限载荷法- 4 0.34 l3 0.38 32 0.43分析法 开孔率超 ，小适用 方法要求O.85，总厚度附加量i.8mm♂构见图7，接管l 426，材料Q345R，o]350143MPa；接管2 426，材料20G，o 如98MPa，总厚度附加量2.5；开孔率 P0.81。计算接管补强。见表3。

图7例3.3容器结构示意图表3 开孔率PO.81时几种方法的计算对比 结果 426，材料Q345R 426，材料20G 8 1O 12 8 1O l2方法 余量% [p]MPa 余量% [P]MPa 余量% [p]MPa 余鼽 [p]MPa 余 [p]肿a 余勘 [p]IdPa压力面积法 2l l93 38 2.2l 57 2.5l 4 1.67 15 1.84 27 2.03压力面积应力法 33 2.13 44 2.31 57 2.51 5 1.68 13 1.81 23 1.97极限载荷法 l2 1.72 35 1.94 67 2.23 -l2 1.48 5 1.65 25 1.84分析法 曲线不包络不计算 86 未计算 曲线不包络不计算 20 未计算上表可见，当接管材料与壳体材料不-致时，分析法与其它方法校核结果差别较大，接管厚度达不到最小要求时不能计算；当厚度达到要求时，应力余量达186%，结构偏保守。原因是分析法校核时，直接扔管与壳体材料许用应力小者为允许值，偏保守；其他几种方法均考虑了接管材料与壳体材料不相同时的强度折算系数，较合理。

显然，例3.3中，当接管1材料与壳体材料-致时，扔管名义厚度10mm较合理。

4思考与建议4.1 GB150是我国压力容器设计的基本标准，在圆筒径向开孔率 P≤0.9时，我们应执行GB150进行设计校核，但是由于厚度比值max0.5，P]≤5 /5 ≤2的限制，许多情况下曲线不包络导致无法计算，当调整接管厚度至曲线包络时，结构就偏保守。目前的曲线当6 e 6 e 1.0时包络范- 42-围大，5。 /5。<1.0时包络范围小，而且不能延长。

建议标准延长6et/5 <1.0时，各开孔率对应的包络线，扩大曲线适用范围；4.2当开孔率 p>0.9时 ，分析法不再适用。

GB150释义推荐用有限元分析进行设计，目前，具备有限元分析能力的单位和个人毕竟是少数，建议材料、厚度、结构设计可参照分析法的相关要求，用采用极限载荷法校核P]，判断是否满足设计需要；4.3 GB150的分析法仅用于圆柱壳体径向开孔的应力校核。当设备锥形壳体开孔率超过等面积法计算范围时，建议材料、厚度、结构设计可参照分析法的相关要求，采用压力面积应力法或极限载荷法校核P，判断是否满足设计需要。