壓力容器等面積開孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在兩種規(guī)范中的比較

呂學(xué)魯

(中車西安車輛有限公司，陜西 西安 710086)

1 等面積補(bǔ)強(qiáng)法的介紹

開孔補(bǔ)強(qiáng)的方法有等面積法和分析法，目前通用的、也是最早的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是基于彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的等面積補(bǔ)強(qiáng)法，等面積補(bǔ)強(qiáng)法認(rèn)為殼體因開孔喪失承載面積，須有補(bǔ)強(qiáng)材料在離孔邊一定距離范圍內(nèi)予以等面積補(bǔ)償，該方法是以雙向受拉伸的無限大平板上開有小孔時(shí)孔邊的應(yīng)力集中作為理論基礎(chǔ)的，即僅考慮殼體中存在拉伸薄膜應(yīng)力，且以補(bǔ)強(qiáng)殼體的一次應(yīng)力強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

2 ASME Ⅷ-1-2017與GB 150-2011中等面積法部分條款比較

2.1 開孔尺寸上的比較

ASME 中提到當(dāng)橢圓形開孔或長圓形孔的長徑超過2.0倍時(shí)，應(yīng)當(dāng)增強(qiáng)短徑方向的補(bǔ)強(qiáng)，以避免由于扭轉(zhuǎn)力矩產(chǎn)生的過度變形。而GB 150—2011中直接限制孔的長徑與短徑之比不應(yīng)大于2.0。顯然GB 150—2011比較嚴(yán)格，這么規(guī)定也是為了更安全考慮。

在圓筒、封頭、錐形殼體等部件上開孔尺寸的規(guī)定中，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定也有點(diǎn)區(qū)別。

對(duì)于圓筒允許的最大開孔，按照GB 150—2011的規(guī)定，當(dāng)Di=1500mm 時(shí)，允許的最大開孔直徑為520mm；當(dāng)Di=1530mm時(shí)，允許的最大開孔直徑為510mm?？梢钥闯鐾搀w的直徑越大反而允許開孔的最大直徑卻越小，這和筒體直徑越大所允許的開孔也越大的常理相悖。按照ASME Ⅷ-1中的規(guī)定，上述兩個(gè)條件下的最大允許開孔都為510mm。顯然GB 150—2011的規(guī)定沒有ASME Ⅷ-1那么嚴(yán)謹(jǐn)。這是因?yàn)镚B 150—2011主要參照ASME Ⅷ-1規(guī)范編寫的，2017版ASME Ⅷ-1規(guī)范剛發(fā)布不久，GB 150—2011還沒來得及更改。

2.2 免于補(bǔ)強(qiáng)規(guī)定上的比較

豁免補(bǔ)強(qiáng)的規(guī)定中，GB 150—2011認(rèn)為在滿足一定壓力(P≤2.5MPa)條件下(其余條件見GB 150—2011，6.1.3條)，可不另行補(bǔ)強(qiáng)。也就是說殼體和接管本身的厚度超過了實(shí)際強(qiáng)度所需要的壁厚，殼體和接管上的這部分富裕金屬可以作為補(bǔ)強(qiáng)金屬，且滿足了開孔補(bǔ)強(qiáng)的要求，所以不需要再進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。而ASME Ⅷ-1規(guī)定的是不需要結(jié)構(gòu)自補(bǔ)強(qiáng)外的其他補(bǔ)強(qiáng)，它在免于補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔和殼體及封頭的最小需要壁厚做了限制，這是因?yàn)槿萜骱穸鹊脑黾邮沟醚厝萜鞅诤穹较虻膽?yīng)力梯度增大，開孔處局部出現(xiàn)的應(yīng)力集中系數(shù)更加增大，導(dǎo)致此處的應(yīng)力集中系數(shù)大于規(guī)范所采用的材料安全系數(shù)，且厚度越大，材料所呈現(xiàn)的脆性越大。所以ASME Ⅷ-1在不需要另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔進(jìn)行了限制。

GB 150—2011在不需要另行補(bǔ)強(qiáng)中規(guī)定開孔位置不得位于A、B 類焊接接頭上；而ASME Ⅷ-1中規(guī)定不需要結(jié)構(gòu)自補(bǔ)強(qiáng)外的其他補(bǔ)強(qiáng)的開孔可以位于B 類焊接接頭上，但開孔部位的焊縫應(yīng)滿足UG-51中規(guī)定的射線檢測要求，檢測長度應(yīng)為開孔直徑的三倍，開孔中心位于此長度中點(diǎn)，凡是被開孔去除的缺陷不作為評(píng)判焊縫合格與否的條件。

2.3 開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積計(jì)算公式的比較

容器殼體上的開孔導(dǎo)致垂直于應(yīng)力方向受力截面的削弱，在補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算中需要計(jì)算這部分削弱的面積，及標(biāo)準(zhǔn)中給出的所需補(bǔ)強(qiáng)面積A，以便核算補(bǔ)強(qiáng)的面積能不能滿足補(bǔ)強(qiáng)要求。

比較以上(1)和(2)兩個(gè)公式，從中可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)明顯的差異，那就是ASME Ⅷ-1在計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)面積時(shí)引入了校正系數(shù)F，這一校正系數(shù)用于補(bǔ)償相對(duì)于容器軸線不同平面上內(nèi)壓應(yīng)力的變化。根據(jù)等面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)理論，系數(shù)F 與通過開孔中的截面與殼體軸線的夾角θ的關(guān)系：F=0.5(cos2θ+1)。而GB 150—2011中沒有引入校正系數(shù)，或者說GB 150—2011中認(rèn)為任一開孔受力截面的校正系數(shù)都等于1，即各個(gè)不同平面的應(yīng)力水平都相等。但實(shí)際上不同平面的應(yīng)力水平是不一致的，如只受內(nèi)壓的圓筒環(huán)向應(yīng)力引起的縱向截面應(yīng)力與縱向應(yīng)力引起的環(huán)向截面的應(yīng)力，縱向截面應(yīng)力約為環(huán)向截面應(yīng)力的兩倍。各個(gè)截面所受的應(yīng)力水平不一致導(dǎo)致各個(gè)截面所需的計(jì)算厚度也不一致，開孔補(bǔ)強(qiáng)所需的面積也不一致，開孔補(bǔ)強(qiáng)最終所考慮的面積是綜合各個(gè)不同截面上最大削弱面積。

而ASME Ⅷ-1中通過引入的校正系數(shù)F 解決了這個(gè)問題。校正系數(shù)給出了其他截面應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力的關(guān)系，從而可以算出各個(gè)截面上的計(jì)算厚度。

由上可知，當(dāng)開孔為圓筒上的非圓斜開孔時(shí)，GB 150—2011在計(jì)算開孔補(bǔ)強(qiáng)所需面積時(shí)沒有ASME Ⅷ-1那么細(xì)致。

公式(1)和(2)的另外一個(gè)區(qū)別就是，在計(jì)算殼體和封頭厚度時(shí)，ASME Ⅷ-1中規(guī)定采用的焊接接頭系數(shù)規(guī)定為1；而GB 150—2011中采用的焊接接頭系數(shù)為殼體或封頭的實(shí)際焊接接頭系數(shù)，實(shí)際焊接接頭系數(shù)有可能是1，有可能比1小。因焊接接頭系數(shù)反映的是容器殼體的接頭處相對(duì)于母材的強(qiáng)度削弱成度，焊接接頭系數(shù)越小，削弱成度越大，所需補(bǔ)強(qiáng)面積就越大，固在其他條件一致的情況下，GB 150—2011需要的補(bǔ)強(qiáng)面積比較大，較為保守。

2.4 接管最小厚度計(jì)算比較

在開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算中，GB 150—2011在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍和接管的內(nèi)外伸高度中提到了接管的名義厚度，但沒有給出如何確定接管的壁厚，在實(shí)際操作過程中，按照其承受的內(nèi)壓載荷利用內(nèi)壓筒體壁厚計(jì)算公式確定計(jì)算厚度，然后根據(jù)接管壁厚偏差和腐蝕裕量確定其名義厚度。

從上述規(guī)定可以看出，GB 150—2011和ASME Ⅷ-1在接管內(nèi)外伸高度取值上的區(qū)別比較大。GB 150—2011規(guī)定不管是內(nèi)伸還是外伸接管高度都不能大于接管實(shí)際內(nèi)外伸高度，這比較符合實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)要求，而ASME Ⅷ-1在外伸接管高度確定時(shí)沒有考慮接管的實(shí)際外伸高度，那假如實(shí)際外伸高度比上述規(guī)定的外伸高度取值都低，補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算卻取了一個(gè)較高值，造成所需補(bǔ)強(qiáng)面積偏大。另外GB 150—2011在計(jì)算高度時(shí)，沒有把接管的腐蝕裕量去掉，導(dǎo)致接管實(shí)際伸出長度偏高，有效補(bǔ)強(qiáng)面積虛高。而ASME Ⅷ-1在所有的計(jì)算取值過程中沒有包含腐蝕裕量和成形裕量，顯然ASME Ⅷ-1認(rèn)為腐蝕裕量和成形裕量所包含的這部分金屬是不能作為有效的補(bǔ)強(qiáng)面積的，這樣的考慮比GB 150—2011更嚴(yán)密。此外，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都沒有提到對(duì)于殼體上的斜插接管或凸型封頭軸向開孔接管應(yīng)該怎么取接管的實(shí)際內(nèi)外伸高度值，本人認(rèn)為對(duì)于這兩種接管應(yīng)該取接管內(nèi)外口離殼體或封頭內(nèi)外表面距離最短值分別作為接管實(shí)際內(nèi)外伸高度，該值應(yīng)該沿著接管壁測量。

3 結(jié)語

通過以上分析比較可以看出，ASME Ⅷ-1—2017《鍋爐壓力容器建造規(guī)范》和GB 150—2011《壓力容器》在等面積補(bǔ)強(qiáng)的部分條款上是有區(qū)別的。雖然這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際應(yīng)用中都不會(huì)出現(xiàn)問題，但二者各成一體，不能簡單地將GB150中的方法應(yīng)用到ASME 規(guī)范的容器上。在用等面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)過程中一定要明確是符合哪個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)范，以保證設(shè)計(jì)安全及對(duì)使用標(biāo)準(zhǔn)的符合性。