多層壓力容器開孔設(shè)計

王 晨

(中國五環(huán)工程公司，湖北 武漢 430223)

壓力容器的筒體承受內(nèi)壓與外載荷的作用時，在容器開孔接管處產(chǎn)生不同性質(zhì)的應(yīng)力，特別是開孔處的峰值應(yīng)力可達殼體正常應(yīng)力的3倍，甚至達到5～6倍。對于單層容器的開孔補強都按國內(nèi)外規(guī)范設(shè)計，而對多層高壓容器開孔，由于器壁是不連續(xù)的，層板與層板或鋼帶與鋼帶之間存有一定間隙，對這種非整體性接管區(qū)的器壁，在開孔后其應(yīng)力的分布與狀態(tài)、開孔后接管與器壁的焊接質(zhì)量、焊縫的檢驗等都存在著顧慮。若在開孔補強部位采用有限元分析，將存在耗資大、成本高的問題，故設(shè)計者總是盡量避免在多層殼體上開孔。本文介紹多層壓力容器開孔接管的設(shè)計，供參考。

1 多層壓力容器開孔的概況

上世紀，國內(nèi)外對多層高壓容器開孔進行了大量研究，并應(yīng)用于設(shè)計中，如美國在上世紀70年代，就有1 000多臺多層包扎高壓容器在筒體上開孔，其中最大的開孔直徑達到456mm。美國薩克斯頓壓水型核動力反應(yīng)堆采用多層包扎結(jié)構(gòu)(見圖1)，其設(shè)備內(nèi)徑1 470mm，設(shè)計壓力為17.8MPa(a)，設(shè)計溫度為350℃。在設(shè)備堆芯活性區(qū)，同一橫截面上開設(shè)4個φ277mm的接管，設(shè)備在中子強烈地輻照作用下，接管部位未出現(xiàn)任何事故。同期，我國引進了兩臺內(nèi)徑2 000mm的多層包扎氨冷凝器，設(shè)計壓力為24.4MPa(a)，溫度為-18℃，這兩臺設(shè)備設(shè)有外徑φ180mm與φ240mm的兩個接管。近年，我國又引進了一臺內(nèi)徑為φ3 500mm多層包扎氨冷凝器，設(shè)計壓力為16.2MPa(a)，設(shè)計溫度為190℃，該容器設(shè)置了內(nèi)徑為1 100mm、壁厚約為226mm的人孔。隨著整體夾緊式多層包扎技術(shù)的發(fā)展，德國應(yīng)用此技術(shù)設(shè)計制造了高壓加氫反應(yīng)器，并在多層圓筒體上開孔。另外，還在多層球殼、錐殼頂部都設(shè)置過大開孔(見圖2與圖11)。我國自行開發(fā)的扁平繞帶容器，其內(nèi)徑為450mm，筒體上設(shè)置直徑有φ56mm與φ90mm接管。該設(shè)備操作壓力為32MPa，操作溫度為100℃。我國還設(shè)計并制造的整體夾緊式多層包扎高壓氨分離器，其內(nèi)徑為φ2 200mm，設(shè)計壓力為12.0MPa(a)，設(shè)計溫度為-28～60℃，筒體設(shè)置了內(nèi)徑為φ300、管壁厚為101mm的接管；用此技術(shù)還設(shè)計制造過內(nèi)徑為φ1 700mm的蓄勢器，其設(shè)計壓力為24.5MPa(a)，設(shè)計溫度為50℃，開孔接管內(nèi)徑達φ400mm，管壁厚為165mm。

圖1 美國薩克斯頓核動力反應(yīng)堆

圖2 多層高壓球罐

2 高壓多層容器開孔結(jié)構(gòu)的一般特點

(1)所有開孔接管均采用加厚接管或鍛件進行補強。

(2)采用全焊透結(jié)構(gòu)。接管與殼體焊接坡口的夾角相當(dāng)小，其結(jié)構(gòu)有兩種形式：一是從外壁處施焊(見圖3a)；二是坡口開在接管上并從內(nèi)壁處施焊(見圖3b)。

(3)開孔處的多層筒體采用止裂堆焊層，見圖3。

圖3 多層筒體與接管兩種焊接結(jié)構(gòu)

3 多層壓力容器與開孔接管連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計

3.1 扁平繞帶容器開孔結(jié)構(gòu)

扁平繞帶容器開孔結(jié)構(gòu)見圖4，該結(jié)構(gòu)的特點如下：①在開孔部位的內(nèi)筒上，每纏繞一層鋼帶，就將孔周邊相鄰的鋼帶間隙焊滿，使開孔區(qū)域筒壁形成一整體，組焊的范圍可按以下公式計算；②最外層鋼帶纏繞完后，在開孔外層處套上補強圈；③在補強圈上鉆孔，并在開孔的繞帶層上堆焊止裂層。再插入厚壁管，與筒體及補強圈相焊。

由于開孔部位的繞帶滿焊后形成一個整體，使?jié)M焊范圍開孔處的殼體應(yīng)力獲得連續(xù)性的徑向應(yīng)力σr與周向應(yīng)力σθ，滿焊范圍內(nèi)的應(yīng)力按以下公式計算：

圖4 扁平繞帶容器開孔結(jié)構(gòu)

(1)

(2)

式中：a為開孔半徑，mm；r為離開孔中心的距離，mm；q為繞帶殼體無孔處均布應(yīng)力，MPa(a)。

按上式，作出應(yīng)力(σr、σθ)與離開孔中心距離r間的關(guān)系曲線(見圖5)，從圖5可看出，孔邊(r=a)處的應(yīng)力遠大于無孔處均布應(yīng)力q，隨r的增加，應(yīng)力值逐漸趨于q；當(dāng)r>3a時，q隨r的變化不大，即遠離開孔中心時，最大應(yīng)力已接近無孔時的應(yīng)力；當(dāng)r=5a時，此處應(yīng)力只超過均布拉伸強度q的4%。因此，設(shè)計時應(yīng)在開孔r≥5a范圍內(nèi)施以滿焊，這樣就可消除不連續(xù)鋼帶對開孔應(yīng)力的影響，且滿足開孔的強度。

圖5 開孔應(yīng)力集中曲線

3.2 多層包扎與套合式容器的開孔結(jié)構(gòu)

多層包扎與套合這兩種筒體開孔后，除在開孔的筒體層板間隙進行封焊形成止裂堆焊層外，還應(yīng)滿足以下的要求。

(1)當(dāng)開孔直徑小于50mm時，容器的開孔按規(guī)范無須補強，接管與內(nèi)筒焊接即可(見圖6)。

(2)當(dāng)開孔直徑大于50mm時，則需要補強設(shè)計，在50～152mm之間仍可采用局部焊透結(jié)構(gòu)，但接管應(yīng)選用加強管或整個圓周加強板(見圖7)。

圖6 接管結(jié)構(gòu)

圖7 接管結(jié)構(gòu)

(3)對于較大的開孔可采用厚壁管或鍛件，通常在與筒體相焊的管表面堆焊過渡層不銹鋼，并經(jīng)熱處理后再與堆焊有止裂層的多層筒體采用全焊透的結(jié)構(gòu)形式(見圖8)。該開孔結(jié)構(gòu)為從德國引進的φ3 500mm高壓冷凝器，器壁厚為95mm(25+7×10)，接管為鍛件，在開孔筒體處另增加一層10mm的外加強筒體，內(nèi)襯里為25mm不銹鋼材料。

(4)用整體補強件補強開孔削弱部位，并滿足開孔補強要求。補強件與多層筒體采用全焊透結(jié)構(gòu)，接管僅與整體補強件底部相焊(見圖9)。該結(jié)構(gòu)列入美國ASME規(guī)范及我國GB/T 150.3—2011標(biāo)準(zhǔn)附錄D中，僅對接管與補強件的焊縫進行校核計算。

圖8 大開孔接管結(jié)構(gòu)

圖9 補強件結(jié)構(gòu)

3.3 夾緊式多層高壓容器的開孔結(jié)構(gòu)

首先，在卷制好的內(nèi)筒上進行開孔，開孔后先將接管與內(nèi)筒焊接，然后逐層包扎，每包扎一層層板，將預(yù)先開好的坡口與接管焊接，每層焊后的焊縫應(yīng)經(jīng)滲透檢測，其結(jié)構(gòu)見圖10。該結(jié)構(gòu)已用于上述的我國自行設(shè)計、制造的內(nèi)徑為φ2 200mm高壓氨分離器中。

3.4 夾緊式多層錐形殼頂部開孔結(jié)構(gòu)

夾緊式多層錐形殼頂部開孔結(jié)構(gòu)見圖11。與層板對接的鍛件應(yīng)加工成階梯形，每包扎一層，對接焊縫應(yīng)進行滲透檢測，合格后再包扎及焊接下一層。

圖10 夾緊式多層容器接管結(jié)構(gòu)

圖11 夾緊式多層錐殼頂部開孔結(jié)構(gòu)

3.5 球殼開孔結(jié)構(gòu)

夾緊式整體多層包扎高壓球罐開孔結(jié)構(gòu)見圖12。該設(shè)備內(nèi)徑為φ1 942mm，設(shè)計壓力為39.4MPa(a)，設(shè)計溫度為-253℃，開孔接管內(nèi)徑約為φ500mm，在接管外壁先堆焊不銹鋼材料，熱處理后在堆焊層上加工成階梯形，以便層板與接管階梯層對接，每焊完一層經(jīng)滲透檢測合格，再包扎上一層層板。

3.6 帶襯里的多層容器接管設(shè)計

帶抗腐蝕襯里的多層容器，其內(nèi)襯材料可以為不銹鋼或有色金屬，當(dāng)接管采用不銹鋼時，應(yīng)在開孔處的層板筒體堆焊不銹鋼材料，然后與不銹鋼接管焊接，最后接管與不銹鋼襯里焊接(見圖13(a))。當(dāng)接管為碳鋼鍛件時，鍛件內(nèi)孔以及與層板焊接處先堆焊不銹鋼，熱處理后與堆焊有不銹鋼過渡層的層板筒體及襯層焊接(見圖13(b))。它適用于抗氫腐蝕的加氫反應(yīng)器等設(shè)備。當(dāng)多層容器為鈦襯里、接管為碳鋼鍛件時，接管與封焊后的殼體采用銀焊，而后接管進行襯鈦(見圖14)。該設(shè)備為設(shè)計壓力9.5 MPa，設(shè)計溫度273℃的氧化反應(yīng)器。

圖12 多層高壓球殼開孔結(jié)構(gòu)

圖14 鈦襯里接管結(jié)構(gòu)

圖13 抗氫腐蝕容器開孔接管結(jié)構(gòu)

4 多層高壓容器開孔補強的計算方法

目前，許多規(guī)范的計算仍使用等面積補強方法，此計算沒考慮到外載荷對開孔的影響，為此，一些規(guī)范中又提出了彈性失效開孔補強法、塑性失效開孔補強法。例如，英國根據(jù)彈塑性失效理論在BS3915《原子能壓力容器規(guī)范》中規(guī)定，最大應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力應(yīng)控制在2.25[σ]以下；美國PVRC也按照極限分析和安定性原理提出了允許最大的應(yīng)力集中設(shè)計方法規(guī)范，即采用削弱系數(shù)來增加壁厚。此外，還有應(yīng)力分析法、有限元方法以及我國的圓筒徑向接管開孔補強設(shè)計的分析法。由于多層壓力容器同時還受到層板或繞帶包扎力及焊縫收縮力的影響，使得開孔處受力變?yōu)閺?fù)雜。為了保證多層高壓容器在安全的狀態(tài)下使用，推薦以下幾種方法進行設(shè)計：①多層容器開孔的補強計算按GB150.3等面積補強或應(yīng)力分析計算方法，對于用鍛件或其他補強件補強的接管，其補強結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)選?。虎谠谒苄岳碚摲治龊痛罅吭囼灉y試的基礎(chǔ)上，計算多層壓力容器開孔處應(yīng)力集中系數(shù)；③對于圖9的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計算接管與補強筒體焊縫的強度。

5 開孔處應(yīng)力集中系數(shù)計算方法

5.1 以單層殼體計算方法作為多層殼體估算依據(jù)

許多學(xué)者首先研究了單層球形容器在內(nèi)壓作用下的平接管和凸出接管應(yīng)力集中系數(shù)的計算方法。然后再證實球形容器與圓筒容器的計算理論曲線比較接近，同時又補充了一些驗數(shù)據(jù)，最終獲得計算單層圓筒應(yīng)力集中系數(shù)，以此作為計算多層筒體應(yīng)力集中系數(shù)。其估算方法有羅斯(Rose)法、莫尼(Moore)法、湯普森(J.M.T.Thompson)法等。另外，對有外載荷作用下的開孔處的應(yīng)力集中系數(shù)的計算，有彭尼(Penny)法和萊基(Leckie)法。故目前對于多層容器的開孔集中系數(shù)，許多規(guī)范仍采用上述的計算方法。為此，本文也推薦莫尼法等幾種方法作為計算應(yīng)力集中系數(shù)。表1就是采用莫尼法、彭尼——萊基法、羅斯—湯普森法等來計算多層壁的氨分離器開孔應(yīng)力集中系數(shù)。該設(shè)備內(nèi)徑為2 000mm，壁厚為120mm(8×15mm)，設(shè)備接管內(nèi)徑為137mm，壁厚為56.5mm，設(shè)計壓力為24.2MPa(a)，設(shè)計溫度為-18℃，從計算結(jié)果看，其應(yīng)力集中系數(shù)均小于以極限分析為設(shè)計基礎(chǔ)、以安定性為設(shè)計準(zhǔn)則的補強系數(shù)。

表1 接管應(yīng)力集中系數(shù)α計算

注：d為接管平均直徑d=2，rc；D為殼體平均直徑，D=2Rc；Sr為開孔處殼體加強厚度。

(2)彭尼—萊基法：計算平接管應(yīng)力集中系數(shù)計算曲線(見圖15)。

圖15 計算平接管應(yīng)力集中系數(shù)計算曲線

(3)羅斯—湯普森法：對于平接管可用以下近似方法計算圓筒開孔總應(yīng)力集中系數(shù)Ja，Ja=J1+J2。

式中：μ=0.3；m為載荷分布系數(shù)，理論上在0～2.36之間；其他符號及意義見表1。

由上表計算可知，當(dāng)接管與筒體平齊時，這幾種方法計算的應(yīng)力集中系數(shù)很接近，而羅斯-湯普森計算時取m=2.36，應(yīng)力集中系數(shù)仍小于2.25。故在該多層筒體開孔是安全的。

5.2 按多層殼體開孔處的應(yīng)力集中系數(shù)的計算

對于多層壓力容器的開孔，格登(J.G.Gerdeen)提出了計算開孔應(yīng)力集中系數(shù)的方法，計算考慮了內(nèi)壓的作用以及層板在包扎過程中層間的接觸壓力，對開孔集中應(yīng)力的影響。

(1) 先計算只承受內(nèi)壓力作用時，筒體側(cè)向開孔時集中系數(shù)。計算按圖16查取。

圖16 L=2b兩端封閉內(nèi)壓作用下筒體側(cè)孔環(huán)向應(yīng)力集中系數(shù)

圖中是以L/b=2作出的環(huán)向應(yīng)力集中系數(shù)，對于Kσ<2的圓筒L/b有影響，但對于Kσ>2的圓筒，其影響可忽略。

(2) 考慮承受內(nèi)套合壓力作用時，筒體側(cè)孔開孔環(huán)向集中系數(shù)。計算按圖17查取。

圖17 內(nèi)套合壓力作用下側(cè)孔環(huán)向應(yīng)力集中系數(shù)

(3) 考慮承受外套合壓力作用時，筒體側(cè)孔環(huán)向集中系數(shù)。計算按圖18查取。

圖18 外套合壓力作用下側(cè)孔環(huán)向應(yīng)力集中系數(shù)

由此可算出各層內(nèi)、外壁的孔邊應(yīng)力，即為壓力引起的應(yīng)力與套合壓應(yīng)力或者拉應(yīng)力相疊加。計算結(jié)果各層內(nèi)壁的應(yīng)力下降，各層外壁應(yīng)力增加。但總體應(yīng)力趨于減低，同時整體應(yīng)力也緩和很多。

6 疲勞壽命的估算與試驗

多層高壓容器如果設(shè)計要求進行內(nèi)壓低循環(huán)疲勞強度計算，應(yīng)進行疲勞壽命的估算，計算可按《鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》或ASME規(guī)范Ⅷ篇第2分篇。有時為了證實多層高壓容器接管處許用循環(huán)次數(shù)計算的可靠性，也進行了次數(shù)疲勞的試驗。我國對開有小孔、設(shè)備直徑為300mm的整體多層夾緊式高壓容器進行疲勞試驗，筒體材料為Q345R，厚度為7.8+3×6.2+3.6=30.6mm，設(shè)計壓力為31.4MPa(a)，設(shè)計溫度為常溫，疲勞試驗壓力為0～31.4MPa(a)。當(dāng)循環(huán)至6 007次時，因封頭和內(nèi)筒焊接質(zhì)量不好，導(dǎo)致泄漏而停止，但總體抗疲勞性能良好。

7 結(jié)語

對于多層壓力容器開孔，甚至大孔的結(jié)構(gòu)設(shè)計，許多設(shè)計者仍不太明確，本文提供了多層筒體開孔接管的幾種結(jié)構(gòu)，在滿足規(guī)范計算時，還推薦計算開孔應(yīng)力集中系數(shù)，并要求控制在≤2.25。對于制造、檢驗時，不管何種結(jié)構(gòu)，都要求層板面封焊后以及層板與接管焊接后的焊縫應(yīng)進行滲透檢測，以確保容器的安全。