壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉漢鵬，陸佳，丘永樑，高衛(wèi)，陳麗艷

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壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉漢鵬，陸佳，丘永樑，高衛(wèi)，陳麗艷

（中集安瑞科能源裝備（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215137）

在壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中，開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)于開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)合理、制造方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的原則，保證壓力容器安全性和實(shí)用性前提下，延長(zhǎng)壓力容器使用壽命，降低壓力容器制造成本和運(yùn)作風(fēng)險(xiǎn)。本文通過(guò)對(duì)常用壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)三種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論述和分析，總結(jié)出不同壓力容器工況下開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的選擇依據(jù)，在保證壓力容器質(zhì)量的基礎(chǔ)上，進(jìn)行科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

壓力容器； 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)； 結(jié)構(gòu)合理； 制造方便

在壓力容器設(shè)計(jì)中，開(kāi)孔是為了安裝接管、人孔、儀表實(shí)現(xiàn)壓力容器功能、安全等的需要，然而有效合理壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是保證壓力容器安全的基本要求，同時(shí)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也影響著壓力容器成本。壓力容器圓筒形或錐形部分或成型封頭上開(kāi)孔的形式最好是圓形、橢圓形或長(zhǎng)圓形，當(dāng)橢圓形或長(zhǎng)圓形孔的長(zhǎng)短徑之比大于2時(shí)，應(yīng)增強(qiáng)短徑方向的補(bǔ)強(qiáng)，以避免由于扭轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生過(guò)度變形。

在設(shè)計(jì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí)必須要考慮在開(kāi)孔或者接管區(qū)附近增加殼體或接管壁厚來(lái)補(bǔ)償因開(kāi)孔所削弱的壓力容器本體的強(qiáng)度，通過(guò)增加殼體或接管壁厚來(lái)降低開(kāi)孔接管處的應(yīng)力峰值來(lái)保證壓力容器的強(qiáng)度和安全。開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法有等面積方法和分析方法。

等面積補(bǔ)強(qiáng)法是一補(bǔ)償開(kāi)孔局部截面的拉伸強(qiáng)度作為補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則，等面積補(bǔ)強(qiáng)法對(duì)開(kāi)孔邊緣的二次應(yīng)力的安定性問(wèn)題是通過(guò)限制開(kāi)孔形狀、長(zhǎng)短徑之比和開(kāi)孔范圍（開(kāi)孔率）間接加以考慮，使孔邊緣的局部應(yīng)力得到一定控制，開(kāi)孔等面積方法適用于壓力作用下殼體和平封頭上的圓形、橢圓形開(kāi)孔。當(dāng)在殼體上開(kāi)橢圓形或長(zhǎng)圓形孔時(shí)，孔的長(zhǎng)徑與短徑之比應(yīng)不大于2.0，適用范圍：

（1）在筒體、封頭上開(kāi)圓孔、橢圓孔或長(zhǎng)圓孔。非圓孔的/≤2。

分析法適用范圍：

開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)分析法是根據(jù)彈性薄殼理論得到的應(yīng)力分析方法，用于內(nèi)壓作用下具有徑向接管圓筒的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，其適用范圍如下：

1 等面積補(bǔ)強(qiáng)理論基礎(chǔ)

1.1 開(kāi)孔應(yīng)力集中現(xiàn)象

若殼體未開(kāi)孔時(shí)的名義應(yīng)力為，開(kāi)孔后的最大應(yīng)力為max,則應(yīng)力集中系數(shù)的定義為=max/，通常情況下，在各種孔形中，圓孔的應(yīng)力集中程度最低，因此，GB150-2011對(duì)開(kāi)孔形狀進(jìn)行限制。根據(jù)彈性力學(xué)解，可得到無(wú)限平板開(kāi)小圓孔的單項(xiàng)拉伸時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)：

根據(jù)彈性力學(xué)疊加原理，可以方便的得到其他情況下的應(yīng)力集中系數(shù)，圖1、圖2、圖3提供了常見(jiàn)開(kāi)孔邊緣的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖1為單向拉伸時(shí)的應(yīng)力集中，圖2為等值雙向拉伸應(yīng)力集中，類似球殼小開(kāi)孔，圖3為雙向拉伸應(yīng)力集中（2=0.5），近似薄壁圓柱殼開(kāi)小孔的應(yīng)力集中。

圖1 為單向拉伸時(shí)的應(yīng)力集中

圖2 為等值雙向拉伸應(yīng)力集中

圖3 雙向拉伸應(yīng)力集中

2 開(kāi)孔受力特點(diǎn)

壓力容器殼體開(kāi)孔以后，一般總需設(shè)置接管或人孔等，開(kāi)孔邊緣可引起三種應(yīng)力：

（1）局部薄膜應(yīng)力。壓力容器殼體一般承受均勻的薄膜應(yīng)力，即一次總體薄膜應(yīng)力。殼體開(kāi)孔后，開(kāi)孔邊緣應(yīng)力分布很不均勻，在離開(kāi)孔邊緣較遠(yuǎn)處，應(yīng)力幾乎沒(méi)有變化，而增大的應(yīng)力則集中分布在開(kāi)孔邊緣，因此在開(kāi)孔邊引起很大的薄應(yīng)力，即所謂的局部薄膜應(yīng)力。

（2）彎曲應(yīng)力。容器開(kāi)孔以后，一般設(shè)置接管、人孔、儀表等。為使兩部件在連接點(diǎn)上變形相協(xié)調(diào)，則必然會(huì)產(chǎn)生一組自平衡的邊界內(nèi)力（包括剪力與彎矩）。這些邊界內(nèi)力將在殼體的開(kāi)孔邊緣及接管端部引起局部的彎曲應(yīng)力，這部分應(yīng)力屬于二次應(yīng)力。

（3）峰值應(yīng)力。在殼體開(kāi)孔邊緣與接管的連接處還會(huì)產(chǎn)生一種有益應(yīng)力集中現(xiàn)象造成的分布范圍很小而數(shù)值很高的應(yīng)力，這部分應(yīng)力分為峰值應(yīng)力。

可見(jiàn)，在壓力容器由于開(kāi)孔使開(kāi)孔邊緣造成比較復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。

3 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及應(yīng)用

所謂開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)，是指在壓力容器開(kāi)孔之后，為了提高開(kāi)孔周圍材質(zhì)抗壓強(qiáng)度因開(kāi)孔強(qiáng)度降低而進(jìn)行補(bǔ)救的方法。因此，開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)在壓力容器生產(chǎn)、使用過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，保障壓力容器發(fā)揮自身功能和延長(zhǎng)壓力容器使用壽命。開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要根據(jù)壓力容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體實(shí)施中，可以根據(jù)開(kāi)孔位置、數(shù)量、以及對(duì)容器的其他需求等因素，在壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中比較常用可以分為三種：第一種為補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)，第二種為整體補(bǔ)強(qiáng)，第三種為厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)。

3.1 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路主要是在壓力容器殼體開(kāi)孔周圍一定范圍內(nèi)，緊靠接管貼焊一塊補(bǔ)強(qiáng)板，來(lái)增大殼體因開(kāi)孔而削弱的承載面積，因承載面積的增大，開(kāi)孔邊緣的應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱，峰值應(yīng)力降低。多年的制造、使用實(shí)踐證明，在補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì)過(guò)程中，補(bǔ)強(qiáng)圈的位置對(duì)峰值應(yīng)力產(chǎn)生較大的影響。補(bǔ)強(qiáng)圈比較均勻貼合在壓力容器內(nèi)外側(cè)，不會(huì)引起壓力容器材料、結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱，從而可以避免因結(jié)構(gòu)不連續(xù)產(chǎn)生的附加彎矩和相應(yīng)的彎曲應(yīng)力。

在產(chǎn)品生產(chǎn)、制造過(guò)程中，補(bǔ)強(qiáng)圈材料與殼體材料相同，補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體之間很好貼合，一般以全熔透焊縫焊接在接管和殼體上。補(bǔ)強(qiáng)圈與壓力容器器壁連接一般為搭接焊接，形狀有較大的變化，焊縫處會(huì)存在較高的局部應(yīng)力，同時(shí)在焊接過(guò)程中會(huì)對(duì)容器產(chǎn)生較大的約束作用，在焊縫冷卻過(guò)程中會(huì)有材料的冷卻收縮，從而在角焊縫容易出現(xiàn)裂紋，特別對(duì)于高強(qiáng)度材料，因此在焊接制造過(guò)程中應(yīng)采用焊前預(yù)熱、焊中限制層間溫度、焊后熱處理等措施，防止補(bǔ)強(qiáng)圈與容器殼體焊縫之間裂紋產(chǎn)生。

補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體之間為搭接焊接，抗疲勞性能差，補(bǔ)強(qiáng)后殼體的疲勞壽命僅為無(wú)開(kāi)孔殼體的70%，因此補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)不適宜使用在高溫、高壓、載荷反復(fù)波動(dòng)工況的壓力容器。

采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，應(yīng)遵循下列規(guī)定：

殼體和補(bǔ)強(qiáng)圈鋼材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值σ≤540 MPa。

補(bǔ)強(qiáng)圈厚度小于或等于1.5δ

殼體名義厚度δ≤38 mm。

3.2 整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體補(bǔ)強(qiáng)是將開(kāi)孔所在處元件整體加厚，而不另加其它補(bǔ)強(qiáng)元件，提高開(kāi)孔處材質(zhì)的等級(jí)和強(qiáng)度，從而保證壓力容器的質(zhì)量及其完整性。對(duì)于圓筒和平板，整體加厚的厚度按壁厚設(shè)計(jì)公式引入開(kāi)孔削弱系數(shù)計(jì)算；對(duì)于其它凸形封頭，則按局部補(bǔ)強(qiáng)要求進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，按滿足補(bǔ)強(qiáng)時(shí)的封頭厚度作為整體封頭的厚度。

在壓力容器對(duì)補(bǔ)強(qiáng)質(zhì)量要求較高時(shí)，在開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡量選擇整體補(bǔ)強(qiáng)方式。對(duì)于壓力容器處于較為容易氧化、容易發(fā)生腐蝕、溫度變化劇烈的環(huán)境，以及殼體材料為高強(qiáng)度鋼（R＞540 MPa）和鉻鉬鋼制造的容器，應(yīng)采用整體補(bǔ)強(qiáng)（即增加殼體的壁厚）或者采用局部整體補(bǔ)強(qiáng)元件的補(bǔ)強(qiáng)方法。

整體補(bǔ)強(qiáng)理論推導(dǎo)

根據(jù)GB150-2011《壓力容器》可知，殼體開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積為：

補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)的焊縫面積為3，補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)另加補(bǔ)強(qiáng)面積為4，則根據(jù)等面積補(bǔ)強(qiáng)原理，

將（1）-（3）式代入（4）得：

因此整體補(bǔ)強(qiáng)殼體最小厚度為：

3.3 厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)通常是根據(jù)壓力容器使用工況和材料性能來(lái)決定的，通過(guò)選擇合理的材料可使金屬?gòu)?qiáng)度及特性得到有效的保障。要想使補(bǔ)強(qiáng)的效果得到有效運(yùn)用，應(yīng)加大整個(gè)接管的流通面積，接管材料還需選擇低于容器殼體強(qiáng)度等級(jí)的厚壁接管材料。

厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)：（1）因厚壁接管處于開(kāi)孔最大應(yīng)力區(qū)域，從而可以有效降低孔邊的應(yīng)力集中。另外和殼體形成整體，可以彌補(bǔ)補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)抗疲勞性能差的缺陷，同時(shí)可以極大的降低溫差應(yīng)力，高溫、低溫、壓力急劇波動(dòng)、極度有毒介質(zhì)工況都可以采用。（2）厚壁接管與殼體之間的焊接一般為對(duì)接接頭，對(duì)接接頭焊縫組織和性能更容易保證，避免焊接缺陷。（3）大開(kāi)孔孔邊緣彎曲應(yīng)力及應(yīng)力集中系數(shù)比較大，嚴(yán)重時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)在6~9，該工況下通常的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法很難滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，然而厚壁接管所補(bǔ)強(qiáng)的面積正處于應(yīng)力集中的孔邊緣區(qū)域，可以有效的降低應(yīng)力集中現(xiàn)象，滿足壓力容器補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求。

盡管厚壁管補(bǔ)強(qiáng)有上述的優(yōu)點(diǎn)，但并不是可以增加接管壁厚來(lái)滿足補(bǔ)強(qiáng)不足的要求，根據(jù)長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)厚壁管超過(guò)1.75倍殼體厚度后，在增加接管厚度基本上對(duì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)作用不大，對(duì)于這種工況應(yīng)采用增加接管厚度和殼體厚度相結(jié)合的方案做開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算。

4 結(jié) 論

開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是壓力容器設(shè)計(jì)中不可缺少的一部分，保障壓力容器安全使用和延長(zhǎng)使用壽命起到至關(guān)重要的作用，同時(shí)也影響著壓力容器設(shè)計(jì)、制造成本。因此在壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同壓力容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、使用工況不同，選擇合理有效的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方案或者相結(jié)合的補(bǔ)強(qiáng)方案，保證壓力容器安全性和實(shí)用性前提下，降低壓力容器的運(yùn)作風(fēng)險(xiǎn)。

［1］壽比南，陳鋼，鄭津洋，等．GBI50—2011《壓力容器》[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

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［3］孫昕.開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J]. 化工管理，2016 (14): 55．

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Opening Reinforcement Design of Pressure Vessels

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（CIMC ENRIC Energy Equipment (Suzhou) Co., Ltd., Jangsu Suzhou 215137, China）

The opening reinforcement design and calculation are very important links in the design of pressure vessels. Under the premise of ensuring the safety and practicability of pressure vessel, reasonable structure, convenient manufacture process and economical principle in the structure design should be considered in order to extend the service life, reduce the manufacturing cost and operation risks. In this paper, three common design methods of pressure vessel opening reinforcement were discussed and analyzed, how to select suitable opening reinforcement structure under different conditions was summarized. It's pointed out that scientific, economic and reasonable method should be used to design the opening reinforcement structure under the ensuring the quality of pressure vessel, use.

pressure vessel; opening reinforcement; reasonablestructure; convenient manufacture

2017-04-20

劉漢鵬（1983-），男，工程師，工學(xué)碩士，河南省新鄉(xiāng)市人，2011年畢業(yè)于常州大學(xué)化工過(guò)程機(jī)械專業(yè)，從事低溫壓力容器研發(fā)工作。

TQ 015

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1004-0935（2017）07-0703-04