壓力容器筒體上錐形接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計算的探討

韓志威，程濤濤

(惠生工程(中國)有限公司河南化工設(shè)計院分公司，鄭州 450018)

引言

隨著石油化工、煤化工行業(yè)裝置的大型化以及新技術(shù)新工藝的應(yīng)用，大型化、高設(shè)計參數(shù)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的設(shè)備也逐漸出現(xiàn)，常規(guī)設(shè)計中難免會遇到新的壓力容器開孔結(jié)構(gòu)形式，例如錐形接管、斜錐形接管等結(jié)構(gòu)。而這些開孔結(jié)構(gòu)形式的開孔補(bǔ)強(qiáng)計算在GB150.1 ～150.4-2011《壓力容器》［1］及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中均未提及。按照壓力容器設(shè)計要求，接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計算是需要出計算書的。采用分析法固然準(zhǔn)確，但需投入大量的時間且要求較高的軟件應(yīng)用技能，因此顯得尤為麻煩。根據(jù)現(xiàn)有計算模型，可以將錐形接管、斜錐形接管等開孔補(bǔ)強(qiáng)計算進(jìn)行等量轉(zhuǎn)化，找到適用于工程設(shè)計的計算方法。

1 計算模型與補(bǔ)強(qiáng)計算方法

HG/T20582-2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計算規(guī)定》中，第6章針對非徑向接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)計算，提出了適用于圓筒、錐殼、球殼、凸形封頭和平封頭在內(nèi)壓或外壓作用下裝有單個或多個非徑向圓形接管(包括球殼和凸形封頭的非徑向接管、圓筒或錐殼軸向斜接管和周向斜接管、平封頭斜接管)的補(bǔ)強(qiáng)計算方法，適用范圍為殼體或封頭所允許的最大開孔直徑(以橢圓孔的短軸計)。按GB150.1～150.4-2011有關(guān)章節(jié)的規(guī)定，采用補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)時，鋼材的常溫抗拉強(qiáng)度、補(bǔ)強(qiáng)圈厚度、殼體或封頭名義厚度的限制條件同《鋼制壓力容器》有關(guān)章節(jié)的規(guī)定。計算模型見圖1，采用的計算方法為等面積補(bǔ)強(qiáng)法。

殼體截面因開孔喪失的強(qiáng)度等于被削弱的承載面積乘以殼體材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，須有補(bǔ)強(qiáng)材料予以補(bǔ)償。從補(bǔ)強(qiáng)角度講，殼體截面由于開孔喪失的拉伸承載面積應(yīng)在孔邊有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)材料與殼體材料相同時，所需補(bǔ)強(qiáng)面積就與殼體開孔削弱的強(qiáng)度面積相等，即等面積補(bǔ)強(qiáng)法。無限大平板開小孔，是容器殼體進(jìn)行等面積補(bǔ)強(qiáng)的力學(xué)基礎(chǔ)。［2］補(bǔ)強(qiáng)計算時，在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的所有多余面積(有效厚度提供的面積扣除殼體或接管本身強(qiáng)度所需的面積)均可作為補(bǔ)強(qiáng)面積。［3］

等面積補(bǔ)強(qiáng)法以補(bǔ)償開孔局部截面的拉伸強(qiáng)度作為補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則，其補(bǔ)強(qiáng)只涉及靜力強(qiáng)度問題。殼體開孔以后，在開孔邊緣產(chǎn)生局部高應(yīng)力。根據(jù)局部應(yīng)力的分布衰減規(guī)律，在離開孔邊緣較遠(yuǎn)處，其應(yīng)力便恢復(fù)到正常水平。為有效發(fā)揮補(bǔ)強(qiáng)材料的強(qiáng)度，補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)設(shè)置在開孔附近的高應(yīng)力區(qū)域，即有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)。有效補(bǔ)強(qiáng)范圍存在于開孔殼體和接管兩部分。開孔殼體上的有效補(bǔ)強(qiáng)范圍是以受拉伸開孔大平板孔邊應(yīng)力的衰減范圍進(jìn)行考慮的，即補(bǔ)強(qiáng)范圍取為2倍開孔直徑對應(yīng)的范圍。接管上的有效補(bǔ)強(qiáng)范圍是以端部受均布載荷的圓柱殼的環(huán)向薄膜應(yīng)力的衰減范圍進(jìn)行考慮的，即補(bǔ)強(qiáng)范圍取為(d為開孔直徑，δn為接管名義厚度)。

圖1 開孔補(bǔ)強(qiáng)計算模型

等面積補(bǔ)強(qiáng)法是以拉伸的開孔大平板為計算模型的，即僅考慮容器殼體中存在的拉伸薄膜應(yīng)力，且以補(bǔ)強(qiáng)殼體的一次總體平均應(yīng)力作為補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則。當(dāng)開孔較小時，開孔邊緣的局部應(yīng)力以薄膜應(yīng)力為主，故該方法可適用。隨著殼體開孔直徑增大，開孔邊緣不僅存在很大的薄膜應(yīng)力，而且還產(chǎn)生很高的彎曲應(yīng)力，此時該方法不能適用。對于開孔邊緣的二次應(yīng)力的安定性問題，等面積補(bǔ)強(qiáng)法是通過限制開孔形狀和開孔范圍(開孔率)間接加以考慮的，使孔邊的局部應(yīng)力得到一定的控制。長期的使用經(jīng)驗證明該方法在允許使用范圍內(nèi)，開孔邊緣的安定性能夠得到保障。等面積補(bǔ)強(qiáng)法對開孔邊緣的峰值應(yīng)力問題未加考慮，為此該方法不適用于疲勞容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)。［4］

2 參數(shù)分析

本計算的適用范圍應(yīng)滿足GB150中的等面積法的適用范圍，即適用于壓力作用下殼體和平封頭上的圓形、橢圓形或長圓形開孔。當(dāng)在殼體上開橢圓形或長圓形孔時，孔的長徑與短徑之比應(yīng)不大于2.0。適用范圍如下:

a.當(dāng)圓筒內(nèi)徑Di≤1500mm時，開孔最大直徑d≤Di/2，且d≤520mm;當(dāng)圓筒內(nèi)徑Di＞1500mm時，開孔最大直徑d≤Di/3，且d≤1000mm;

b.凸形封頭或球殼開孔的最大允許直徑d≤Di/2;

c.錐形封頭的最大直徑d≤Di/3，Di為開孔中心處的錐殼內(nèi)直徑。

橢圓形或長圓形開孔最大直徑d指長軸尺寸。本文就圓筒開錐形接管進(jìn)行分析計算。以某設(shè)備為例，設(shè)備要求如下:

筒體直徑3000mm，設(shè)計壓力3.0MPa，設(shè)計溫度200℃;介質(zhì)腐蝕裕量為0mm，焊接接頭系數(shù)取1.0;筒體材質(zhì)Q345R，設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力［σ］t=170 MPa;接管材質(zhì)16MnⅢ，設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力［σ］tt=150 MPa。

2.1 筒體壁厚

取筒體名義厚度:δn=30mm;

筒體厚度附加量:cs=0.3mm(取鋼板負(fù)偏差值);

筒體有效厚度:δe=29.7mm。

2.2 開孔直徑及壁厚

開孔直徑［5］142:為在殼體計算厚度中面上通過開孔中心沿各個所考慮的截面上測至接管內(nèi)壁的弦長，并加2倍接管厚度附加量的值。現(xiàn)取開孔直徑d=400mm。

取接管名義厚度:δnt=50mm;

接管厚度附加量:Ct=0mm;

接管有效厚度:δet=50mm。

2.3 部分參數(shù)及符號

有效寬度:B=2d=800mm;

3 補(bǔ)強(qiáng)計算

對壓力容器筒體上錐形接管開孔不同結(jié)構(gòu)形式的補(bǔ)強(qiáng)分別按照等面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行計算。

3.1 “形式1”和“形式2”計算

“形式1”和“形式2”開孔結(jié)構(gòu)見圖2，可按照SW6進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表1。

圖2 “形式1”和“形式2”開孔結(jié)構(gòu)

3.2 “形式3”計算

“形式3”開孔結(jié)構(gòu)見圖3。殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積:

殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積:

A1=(B-d)(δeφ1-Fδ)-2(δnt-Ct)(δe-Fδ)(1-fr)=1925.5mm2;

接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積:

焊縫金屬截面積:A3=δw2=100 mm2。

3.3 “形式4”計算

“形式 4”開孔結(jié)構(gòu)見圖 3。開孔直徑 d=400mm時，梯形上下邊長分別為390mm，409.5mm，因此實際計算的開孔直徑d＇=(390+409.5)/2=399.75mm。

殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積:

殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積:

接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積:

圖3 “形式3”和“形式4”開孔結(jié)構(gòu)

3.4 “形式5”計算

“形式 5”開孔結(jié)構(gòu)見圖4。開孔直徑 d=400mm時，梯形上下邊長分別為386mm，413mm，因此實際計算的開孔直徑 d＇=(386+413)/2=399.5mm;角度 α1=50°，角度 α2=10°。

殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積:

殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積:

接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積:

焊縫金屬截面積:A3=δw2=100 mm2。

圖4 “形式5”開孔結(jié)構(gòu)

4 結(jié)果對比分析

以上五種錐形接管開孔結(jié)構(gòu)形式補(bǔ)強(qiáng)計算結(jié)果匯總見表1。

表1 五種開孔結(jié)構(gòu)形式補(bǔ)強(qiáng)計算結(jié)果 單位mm2

比較表1中數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，在開孔直徑相同、接管實際外伸高度大于或等于接管有效外伸高度的情況下，徑向圓筒形接管(形式1)的有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的補(bǔ)強(qiáng)面積和開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積的比值最小。非徑向錐形接管(形式5)隨著偏轉(zhuǎn)角度的增大而增大，同時也是比值最大的，因此是安全的。

5 結(jié)論與建議

通過手算法分別對壓力容器筒體上錐形接管五種開孔結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析計算，得出了徑向圓筒形接管富裕量最小的對比分析。然而實際設(shè)計過程中，在筒體壁厚、開孔直徑、接管(或錐形接管)壁厚等不確定的情況下進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計算，需要花費大量的時間進(jìn)行試算。手算法固然能保證其正確性，但是從工程設(shè)計角度而言，由于項目進(jìn)度以及人工時成本的控制，必然要求簡化計算。因此，在參考上述對比分析計算的基礎(chǔ)上，本著安全可靠的思想，可將錐形接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計算方法進(jìn)行簡化。

針對按照GB150設(shè)計的常規(guī)壓力容器而言，在滿足GB150.3-2011中第6.1.1條等面積補(bǔ)強(qiáng)法的使用范圍的前提下(錐形接管開孔直徑按當(dāng)量設(shè)計)，建議將錐形接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計算轉(zhuǎn)化為按照開孔直徑相等的徑向圓筒形接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)計算，然后再用軟件SW6進(jìn)行設(shè)計計算。計算方法如下:

a.根據(jù)接管公稱直徑、壓力容器腐蝕裕量及錐形結(jié)構(gòu)形式畫圖，確定開孔直徑;

b.根據(jù)開孔直徑和預(yù)先給定的壁厚，采用SW6進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計計算;

c.如不能滿足要求，調(diào)整相應(yīng)參數(shù)(如:筒體壁厚、接管壁厚或增加補(bǔ)強(qiáng)圈等)，直至計算結(jié)果通過為止。

本文強(qiáng)調(diào)的是在滿足工程安全可靠前提下的等量轉(zhuǎn)換計算，對于超出等面積法使用范圍以及高壓容器等關(guān)鍵設(shè)備，建議建立模型進(jìn)行分析設(shè)計。

［1］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB150.1～150.4-2011壓力容器［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［2］壽比南.GB150-2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)釋義［M］.北京:新華出版社，2012.

［3］王磊.壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計方法比較［J］.石油化工設(shè)計，2002，19(2):17-19.

［4］楊福昌.殼體徑向平齊接管開孔補(bǔ)強(qiáng)之等面積法與盈利分析法［J］.石油化工設(shè)備，2013，42:22-25.

［5］中華人民共和國工業(yè)和信息化部.HG/T20580～20585-2011鋼制化工容器設(shè)計基礎(chǔ)規(guī)定［S］.北京:中國計劃出版社，2011.