壓力容器特殊開孔結(jié)構(gòu)的補強計算

熊從貴 陳送送 宋玲麗 何 靜

（臺州龍江化工機械科技有限公司）

1 開孔補強計算方法

文獻(xiàn)［2］介紹了等面積補強法、極限分析補強法和安定性分析補強法。等面積補強的基本原理是補強金屬面積不小于被削弱的金屬面積，補強后的應(yīng)力集中系數(shù)在1.5～3.0之間，強度安全系數(shù)可達(dá)到4～5；極限分析補強法也稱彈性失效補強法，是以極限分析為設(shè)計基礎(chǔ)的開孔補強計算方法，補強后的應(yīng)力集中系數(shù)等于2.25，最大應(yīng)力強度系數(shù)可達(dá)2.25；安定性分析補強法也稱彈塑性失效補強法，它允許補強后的容器在開孔附近出現(xiàn)塑性變形，但在后續(xù)加載過程中不能產(chǎn)生新的塑性變形，補強后的應(yīng)力集中系數(shù)等于3，最大應(yīng)力強度系數(shù)可達(dá)3。極限分析補強法和安定性分析補強法都不能用于高循環(huán)載荷壓力容器，且必須采用整體補強結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［3］介紹了等面積補強法、壓力面積補強法和開孔補強的另一方法。壓力面積補強法的原理是容器殼體的有效補強面積與該材料許用應(yīng)力的乘積不小于有效補強范圍內(nèi)的壓力作用面積與壓力的乘積，其適用的最大開孔率為0.8，比等面積補強法的適用范圍更寬。而開孔補強的另一方法實際與文獻(xiàn)［2］中的極限分析補強法相同。文獻(xiàn)［4］介紹了等面積補強法、彈塑性失效補強法、壓力面積補強法和彈性失效補強法。

2 開孔補強計算標(biāo)準(zhǔn)

針對開孔補強計算，GB/T 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計》［5］采用等面積補強法和分析法，等面積補強法對球殼、平蓋和凸形封頭適用于開孔率不大于0.5的情況，對錐形封頭適用于開孔率不大于0.333的情況，分析法適用于圓筒上徑向接管開孔率不大于0.9的情況。JB/T 4732—1995（2005年確認(rèn)）《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》［6］也采用等面積補強計算，同樣適用于開孔率不大于0.5的情況，另外在規(guī)范性附錄中提出了適用于球殼徑向接管開孔率不大于0.8的塑性失效極限分析法。HG/T 20582—2011《鋼制化工容器強度計算規(guī)定》［7］采用等面積補強法和壓力面積補強法，對不考慮接管補強而只用殼體補強的，適用的開孔率不大于0.5；對采用補強圈補強的，適用的開孔率不大于0.5；對球殼和凸形封頭有接管或凸緣補強的，適用的開孔率不大于0.6；對采用接管補強的圓筒，適用的開孔率不大于1.0?？梢?，HG/T 20582—2011對壓力面積補強法的適用范圍很寬。但HG/T 20582—2011規(guī)定了該標(biāo)準(zhǔn)中的壓力面積補強法不適用于材料的常溫屈強比大于0.68、具有應(yīng)力腐蝕、可能產(chǎn)生蠕變或脈動載荷的場合。

3 特殊的開孔結(jié)構(gòu)與開孔補強計算

3.1 壓力容器上的特殊開孔

在制冷裝置用壓力容器上，有的開孔比較特殊，如儲氨器上設(shè)置的集油包，臥式蒸發(fā)器上設(shè)置的集油包、集氣包等，通常是在容器的殼體上開一個較小的圓孔，然后在圓孔的外側(cè)焊接一個比圓孔直徑大得多的圓管，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)主要用于收集容器內(nèi)的潤滑油或制冷劑氣體，使得存在一個不受容器內(nèi)流體擾動的、相對獨立的儲存空間，而容器殼體上的開孔主要起到聯(lián)通和輸送流體的作用。

圖1 特殊開孔結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 開孔結(jié)構(gòu)受力分析

集油包或集氣包與容器殼體連接部位的受力如圖2所示，集油包或集氣包覆蓋的容器殼體內(nèi)外均承受介質(zhì)的均布壓力P，因此，實際開孔直徑d1至集油包或集氣包內(nèi)徑d2之間的這部分殼體的徑向壓力相等、方向相反，受力平衡，環(huán)向應(yīng)力隨著d1的增加而增大，增加的應(yīng)力集中在開孔邊緣，在離開孔邊緣一定距離后，應(yīng)力不再增大。如果d1至d2的距離大于應(yīng)力衰減范圍，則不用考慮因開孔引起的局部薄膜應(yīng)力，工程上認(rèn)為因開孔增加的局部薄膜應(yīng)力衰減距離小于2d1。

圖2 開孔結(jié)構(gòu)的受力圖

在集油包或集氣包與殼體連接處，由于集油包或集氣包的徑向膨脹變形受到限制，在連接處產(chǎn)生二次局部彎曲應(yīng)力。容器殼體在介質(zhì)壓力P作用下，集油包或集氣包處的約束影響該部位殼體的變形協(xié)調(diào)，會增加連接處的彎曲應(yīng)力，同樣，也會因影響集油包或集氣包在P作用下的變形協(xié)調(diào)而增加連接處的應(yīng)力。另外，在連接處還產(chǎn)生應(yīng)力集中這與普通的開孔接管處的受力情況相同。

3.3 開孔補強計算

根據(jù)受力分析，圖1這類特殊結(jié)構(gòu)的開孔仍然可以采用GB/T 150.3—2011中的等面積補強方法進(jìn)行開孔補強計算，此時應(yīng)考慮的開孔不是d1，而是d2。如圖3所示，殼體的補強面積還應(yīng)計入d1至d2之間的殼體金屬有效截面積。

圖3 特殊開孔的有效補強范圍

由于此結(jié)構(gòu)中因開孔d1增加的局部薄膜應(yīng)力已在d2范圍內(nèi)衰減，而d1至d2之間的殼體由于內(nèi)外壓力平衡，由介質(zhì)的壓力P產(chǎn)生的總體薄膜應(yīng)力可不計。因此按照本計算方法得到的結(jié)果應(yīng)該是偏安全的。

計算開孔直徑為：

殼體開孔所需補強面積為：

殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積為：

接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積為：

焊縫金屬面積為：

若A1＋A2＋A3≥A，則開孔不需另加補強面積；否則，開孔需要另加補強面積。式中，除d1和d2外，其余符號及其計算方法與GB/T 150.3—2011［5］相同。

4 結(jié)束語

對于因結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，需要在壓力容器殼體上開圓孔，再焊接比圓孔尺寸大得多的圓管的情況，可以采用上述方法進(jìn)行開孔補強計算，但是，對于這類特殊結(jié)構(gòu)的開孔，在設(shè)計、制造時還需要注意：所焊圓管應(yīng)與實際開孔d1保持同心；所焊圓管的內(nèi)徑d2應(yīng)不小于2d1；接管與殼體之間的焊接接頭應(yīng)全焊透；殼體上實際開孔的孔邊應(yīng)切割整齊，孔口應(yīng)光滑。

上述計算方法已經(jīng)在多個規(guī)格的數(shù)十臺制冷裝置用壓力容器設(shè)計時采用，有的容器使用年限已達(dá)近十年，使用情況普遍良好。