某試驗(yàn)用壓力容器平蓋開(kāi)排孔設(shè)計(jì)計(jì)算方法探討

趙彬彬 金東杰 張 焱 馬計(jì)中 賈金付

（中核能源科技有限公司）

某試驗(yàn)用壓力容器的工作介質(zhì)為去離子水和氮?dú)猓捎谠撛O(shè)備有清潔度的要求，其筒體和上封頭均采用不銹鋼復(fù)合板， 底部平蓋采用20MnMo堆焊不銹鋼材料。 為模擬反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的熱量，需在底部平蓋上設(shè)置121根電加熱棒元件，則底部平蓋得開(kāi)121個(gè)排孔，平蓋通孔與電加熱棒套管為過(guò)盈配合。 由于危險(xiǎn)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(shè)計(jì)》 中有關(guān)平蓋上開(kāi)多個(gè)孔計(jì)算方法的適用范圍［1］，為探究此平蓋上開(kāi)排孔的設(shè)計(jì)計(jì)算，筆者分別采用GB 150.3—2011中殼體開(kāi)排孔的補(bǔ)強(qiáng)要求、 平蓋開(kāi)當(dāng)量單孔的補(bǔ)強(qiáng)方法和按GB/T 151—2014《熱交換器》將平蓋類(lèi)比成管板［2］進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的3種方法，對(duì)開(kāi)有排孔的平蓋進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和分析。

1 平蓋排孔形式

壓力容器底部平蓋上設(shè)有121根電加熱棒，電加熱棒套管穿過(guò)?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(guò)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(guò)，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(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 采用殼體上開(kāi)排孔的計(jì)算方法

殼體上開(kāi)排孔時(shí)，采用排孔削弱系數(shù)代替焊接接頭系數(shù)，進(jìn)行殼體厚度計(jì)算。 若參考此方法對(duì)開(kāi)排孔平蓋進(jìn)行校核，應(yīng)注意殼體的受力狀態(tài)不同于平蓋。 對(duì)于受內(nèi)壓圓筒，環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的兩倍，當(dāng)排孔沿軸向規(guī)則分布且管孔節(jié)距每排相等時(shí)，應(yīng)計(jì)算軸向孔排削弱系數(shù)；對(duì)于規(guī)則的多排軸向排孔，應(yīng)校核當(dāng)量軸向排孔削弱與對(duì)角向排孔削弱， 而平蓋任意方向受力一致，因此應(yīng)取任意徑向截面的削弱系數(shù)的最小值，任意徑向削弱系數(shù)ν1的計(jì)算式為：

式中 dop——開(kāi)孔直徑，mm；

S1——管孔的軸向節(jié)距，mm。

經(jīng)計(jì)算得徑向削弱系數(shù)ν1=0.27。

對(duì)GB/T 150.3—2011標(biāo)準(zhǔn)中平蓋厚度計(jì)算公式加以修正，用排孔削弱系數(shù)代替公式中的焊接接頭系數(shù)， 則開(kāi)排孔后平蓋的計(jì)算厚度δp的計(jì)算式為：

式中 Dc——平蓋計(jì)算直徑，mm；

K——結(jié)構(gòu)特征系數(shù)；

pc——計(jì)算壓力，MPa；

［σ］t——設(shè)計(jì)溫度下平蓋材料的許用應(yīng)力，MPa。由式（2）算得底部平蓋的計(jì)算厚度δp=392 mm。

2.2 采用平蓋當(dāng)量開(kāi)孔的計(jì)算方法

螺栓墊片連接的圓平蓋在受內(nèi)壓情況下將產(chǎn)生彎曲變形，最大應(yīng)力在中心區(qū)，主要應(yīng)力類(lèi)型為一次彎曲應(yīng)力，開(kāi)孔導(dǎo)致底部平蓋的抗彎截面模量減小、強(qiáng)度削弱。 平蓋上相鄰?fù)字g有9.75 mm的孔橋， 它對(duì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)具有一定的加強(qiáng)作用。 可保守地忽略孔橋的加強(qiáng)作用，將121個(gè)通孔近似看成一個(gè)當(dāng)量圓形開(kāi)孔，當(dāng)量圓形開(kāi)孔的直徑覆蓋整個(gè)正方形開(kāi)孔區(qū)，取正方形開(kāi)孔區(qū)的對(duì)角線長(zhǎng)度為當(dāng)量開(kāi)孔的直徑， 按GB/T 150.3—2011平蓋開(kāi)單個(gè)孔的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法，對(duì)平蓋進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

對(duì)于平蓋開(kāi)單個(gè)孔，且開(kāi)孔直徑dop≤0.5D0（D0為平蓋計(jì)算直徑），開(kāi)孔削弱所需的最小補(bǔ)強(qiáng)面積A為：

只考慮平蓋有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積，忽略接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積和焊縫金屬截面積，則平蓋當(dāng)量開(kāi)孔后可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積A1為：

式中 B——有效寬度，mm；

δe——?dú)んw開(kāi)孔處的有效厚度，mm；

δ——?dú)んw開(kāi)孔處的計(jì)算厚度，mm。

當(dāng)A≤A1時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)滿足要求，即：

由式（5）算得排孔平蓋滿足補(bǔ)強(qiáng)要求的最小計(jì)算厚度δ=302 mm。

2.3 類(lèi)比成管板的計(jì)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(qū)［3］。 對(duì)于U形管板只考慮管孔的開(kāi)孔削弱系數(shù)μ=0.4，換熱管對(duì)管板沒(méi)有加強(qiáng)作用。 類(lèi)似的，由于本平蓋周邊用螺栓固定，將平蓋視為受開(kāi)孔削弱的當(dāng)量簡(jiǎn)支圓平板，開(kāi)孔削弱系數(shù)按U形管板的開(kāi)孔削弱考慮［4］，所以由內(nèi)力pc和法蘭彎矩M引起的應(yīng)力疊加得到該管板的最大應(yīng)力，最大應(yīng)力σmax的計(jì)算式為：

由式（7）算得管板計(jì)算厚度δ=210 mm。

3 計(jì)算結(jié)果匯總

將3種計(jì)算方法的結(jié)果列于表1。 由表1可知，殼體上開(kāi)排孔的方法和平蓋當(dāng)量開(kāi)孔的計(jì)算方法都是遵循GB 150—2011中關(guān)于開(kāi)孔的補(bǔ)強(qiáng)法則，因依據(jù)第一強(qiáng)度理論，故應(yīng)力水平都按1.0倍許用應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)；底部平蓋類(lèi)比成管板的理論基礎(chǔ)遵循GB/T 151—2014中的計(jì)算法則，因依據(jù)第三強(qiáng)度理論，故應(yīng)力水平按1.5倍許用應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1 3種計(jì)算方法的結(jié)果匯總

4 結(jié)束語(yǔ)

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