淺談外壓圓筒大開孔補(bǔ)強(qiáng)計算

吳朝

摘 要：GB/T150.3-2011《壓力容器》中沒有外壓圓筒的大開孔補(bǔ)強(qiáng)計算，通常大家都是按HG/T20582-2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計算規(guī)定》中“第7章 大開孔的補(bǔ)強(qiáng)計算”進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計算，而有人對該標(biāo)準(zhǔn)的計算提出了疑問。本文對外壓圓筒的大開孔補(bǔ)強(qiáng)計算進(jìn)行了分析，供相關(guān)人士參考。

關(guān)鍵詞：外壓圓筒大開孔補(bǔ)強(qiáng);等面積補(bǔ)強(qiáng)法;壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法

外壓圓筒大開孔補(bǔ)強(qiáng)計算在GB/T150.3-2011《壓力容器》中并沒有給出計算方法，而按HG/T20582-2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計算規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn)計算，其安全性有人提出了疑問。為了分析該計算方法是否安全，文章從以下幾個方面進(jìn)行討論。

1 外壓圓筒大開孔補(bǔ)強(qiáng)計算方法的適用性

在GB/T150.3-2011《壓力容器》中外壓圓筒的開孔補(bǔ)強(qiáng)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法計算，而等面積補(bǔ)強(qiáng)法有適用范圍，對于外壓圓筒上的開孔最大直徑dop>Di/2的補(bǔ)強(qiáng)計算不適用等面積補(bǔ)強(qiáng)法，因而GB/T150.3-2011中沒有給出其計算方法。在實際壓力容器設(shè)計過程中，外壓圓筒上的開孔最大直徑dop>Di/2的補(bǔ)強(qiáng)計算可以按HG/T20582-2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計算規(guī)定》中“第7章 大開孔的補(bǔ)強(qiáng)計算”進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計算。在本標(biāo)準(zhǔn)第7章中的7.1.2條明確規(guī)定“本章適用于殼體承受內(nèi)壓的開孔補(bǔ)強(qiáng)，也可用于殼體承受外壓的情況，承受外壓時，可將外壓作為內(nèi)壓，按承受內(nèi)壓的開孔補(bǔ)強(qiáng)方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計算?！痹摌?biāo)準(zhǔn)的開孔補(bǔ)強(qiáng)計算采用的是壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法。有人對此提出了質(zhì)疑，對于圓筒來說，承受內(nèi)壓和承受外壓時失效模式不一樣，計算厚度也不一樣，怎么在承受外壓時，可將外壓作為內(nèi)壓，按承受內(nèi)壓的開孔補(bǔ)強(qiáng)方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計算呢？這樣進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計算安全嗎？下面將分別從等面積補(bǔ)強(qiáng)法和壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法的計算模型來討論這個問題。

2 等面積補(bǔ)強(qiáng)法的理論分析

等面積補(bǔ)強(qiáng)法是以受拉伸的開孔大平板作為計算模型的，即僅考慮拉伸薄膜應(yīng)力對容器殼體的影響，且是以補(bǔ)齊開孔后殼體上一次總體平均應(yīng)力的減少為原則的。當(dāng)殼體上的開孔較小時，開孔邊緣主要是產(chǎn)生薄膜應(yīng)力，因此上述假設(shè)可以適用。但隨著殼體開孔直徑的增大，開孔邊緣不僅存在薄膜應(yīng)力，而且還產(chǎn)生很大的彎曲應(yīng)力，因而要對該方法的開孔最大直徑加以限制。

對于承受外壓的圓筒，失穩(wěn)時表現(xiàn)為周向彎曲，因此外壓圓筒上開孔的補(bǔ)強(qiáng)與圓平板上的開孔補(bǔ)強(qiáng)相同。圓平板在壓力作用下產(chǎn)生一次彎曲應(yīng)力，開孔后抗彎強(qiáng)度受到削弱。因此，對于圓平板上的開孔補(bǔ)強(qiáng)原則為：補(bǔ)強(qiáng)后圓平板的彎曲強(qiáng)度與開孔前保持不變。當(dāng)圓平板上的開孔直徑大于直徑的一半時，圓平板已趨向圓環(huán)，其受力狀況與圓環(huán)相近，應(yīng)按法蘭進(jìn)行計算，再用等面積補(bǔ)強(qiáng)法計算就不合適了。事實上，由于開孔處總存在接管，接管的存在會加強(qiáng)開孔處筒體抵抗外壓失穩(wěn)的能力，對帶有接管的筒體在接管處的穩(wěn)定性計算，并不是簡單的以抗彎截面系數(shù)來表示的。

3 壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法的理論分析

壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法是以壓力載荷的面積和殼體、接管、補(bǔ)強(qiáng)件的承載橫截面積之間相互平衡為基礎(chǔ)的，即由壓力載荷的面積對壓力乘積所表示的載荷和殼體、接管、補(bǔ)強(qiáng)件承載橫截面積對材料許用應(yīng)力的乘積之間相互平衡，亦即以特定的壓力載荷面積來計及因開孔而引起的應(yīng)力集中。其補(bǔ)強(qiáng)范圍根據(jù)孔邊應(yīng)力集中的衰減范圍由確定。對于承受外壓的圓筒，壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法鑒于在開孔接管處雖然因開孔而對筒體的抗彎截面系數(shù)有所削弱，但由于總存在接管而對開孔處筒體的抗彎截面系數(shù)有所加強(qiáng)，所以并不會影響開孔處筒體抵抗外壓的能力。因此，外壓圓筒開孔補(bǔ)強(qiáng)計算采用壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法時，要關(guān)注的是由于開孔而引起的應(yīng)力集中。此時，外壓圓筒開孔補(bǔ)強(qiáng)計算要保證的是開孔處筒體的強(qiáng)度，而不是要保證開孔處筒體的穩(wěn)定性，因此只需和內(nèi)壓筒體采用同樣的設(shè)計方法。當(dāng)然，開孔處筒體厚度應(yīng)滿足穩(wěn)定性設(shè)計要求。根據(jù)對壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法的這一分析，才有了HG/T20582-2011標(biāo)準(zhǔn)第7章《大開孔的補(bǔ)強(qiáng)計算》中“承受外壓時，可將外壓作為內(nèi)壓，按承受內(nèi)壓的開孔補(bǔ)強(qiáng)方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計算”這一規(guī)定。

實際上，壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法和等面積補(bǔ)強(qiáng)法其開孔補(bǔ)強(qiáng)的基本原理是一致的，都是基于以開孔有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的金屬面積承載能力與內(nèi)壓力載荷相平衡的靜力平衡法，但其補(bǔ)強(qiáng)的有效范圍兩者不同，等面積補(bǔ)強(qiáng)范圍不論孔徑大小都在孔徑2倍的區(qū)域內(nèi)，因此當(dāng)孔徑與殼體直徑比較大時誤差較大，從而不適用。而壓力面積法其補(bǔ)強(qiáng)范圍與孔徑大小無關(guān)，其補(bǔ)強(qiáng)范圍與開孔應(yīng)力衰減范圍相一致，因此可以用于孔徑與殼體直徑比較大的場合。目前，壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法越來越受到國際壓力容器領(lǐng)域的重視，不僅已列為歐盟標(biāo)準(zhǔn)，為歐盟各國廣泛應(yīng)用，而且也被美國ASME所接受。HG/T20582-2011標(biāo)準(zhǔn)第7章《大開孔的補(bǔ)強(qiáng)計算》是根據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN1344的壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行編制的，并且根據(jù)國內(nèi)在設(shè)計、材料和制造方面的一些實際情況，對其使用場合作了若干的限制，更加安全。因此按該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的開孔補(bǔ)強(qiáng)計算，安全性是有保證的。

4 外壓圓筒大開孔補(bǔ)強(qiáng)實例分析

現(xiàn)以一個實例來討論一下外壓圓筒大開孔補(bǔ)強(qiáng)計算。有一全真空鋼制圓筒容器，內(nèi)徑為1000mm，材料為S30408，筒體厚度為10mm，設(shè)計溫度50℃，外壓計算長度為5000mm。圓筒中間有一個與筒體正交的圓形接管，接管內(nèi)徑為700mm，材料為S30408，接管厚度為10mm，接管伸出長度為300mm，接管采用板材卷焊。圓筒和接管的腐蝕裕量均為0。顯然，該圓筒的開孔補(bǔ)強(qiáng)計算符合HG/T20582-2011標(biāo)準(zhǔn)第7章《大開孔的補(bǔ)強(qiáng)計算》的適用范圍。

符號說明：Ri-圓筒內(nèi)半徑;di-接管內(nèi)直徑;δs-筒體名義厚度;δb-接管名義厚度;h1-接管外側(cè)補(bǔ)強(qiáng)的有效高度;P-設(shè)計壓力;b-筒體補(bǔ)強(qiáng)的有效寬度;C1-筒體厚度附加量;Aps-補(bǔ)強(qiáng)有效范圍內(nèi)筒體內(nèi)的壓力面積;C2-接管厚度附加量;Apb-補(bǔ)強(qiáng)有效范圍內(nèi)接管內(nèi)的壓力面積;[σ]s-筒體材料許用應(yīng)力;Afs-筒體上開孔區(qū)有效承壓金屬面積;[σ]b-接管材料許用應(yīng)力;Afb-接管上開孔區(qū)有效承壓金屬面積;Afw-補(bǔ)強(qiáng)連接處凸出筒體表面的焊接接頭金屬面積。