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2014年第17卷
压力容器开孔补强有关问题的探讨
潘光国,张昌平
(航天长征化学工程股份有限公司兰州分公司,甘肃兰州730050)
[摘要]压力容器设计中,由于エ艺及设备结构等方面的要求,需要在容器上开孔,开孔造成了器壁结构的不连续,以及
焊接等原因造成变形、静カ不平衡等产生应力集中和弯曲应力等,使开孔成为容器中最容易失效的部位。本文对GB150.3
2011开孔补强部分提出了一些设计中的疑问,并对其做出了分析与解答。
〔关键词]压力容器;开孔补强;接管;等面积法;分析法
GB150.3-2011《压力容器》关于开孔补强所
其中6.3.3.2内压容器壳体开孔所需补强面积
考虑的失效模式是开孔接管结构在压力载荷作用
为
下的局部高应力而引起的开裂(没有考虑循坏载
=d+2c.(1
荷引起的疲劳破坏)。开孔补强的目的是为了减
6.3.3.3外压容器壳体开孔所需补强面积为:
少接管与筒体连接处的应力水平,避免由于该处
的高应力水平而引起的开裂。本文围绕开孔补强
.1=0.df+2c.(1-/月
(2)
的几个问题进行分析讨论,以便进一步加深对标
是否满足6.3.3.2就一定满足6.3.3.3呢?答案是
准的理解。
不一定。举例如下:
1内压合格是否外压一定合格
现有一卧式储罐,设计压力为0.21-0.1MPa,
设计温度为70℃,直径1500mm,筒体长度5000
对于6.3.3.4条“容器中存在内压与外压两种设mm,材质Q245R,筒体上有一开孔,接管尺寸为
计工况时,开孔所需补强面积应同时满足6.3.3.2和
Φ508×10mm,接管有效外伸高度为100mm,焊
6.3.33的要求”的理解
接接头系数为0.85,其计算结果如表
表1卧式储计算结果
「设计压カ设计温度计算厚度名义厚度「开孔削弱面积「实际补强面积
结论
0.2
70
1.198
595
合格
0.1
70
2
2011
1053
不合格
出1表可以看出,并非内压合格,外压就一定
因此,对于存在内压与外压两种设计工况的
合格。对于内压较小的情况下开孔补强更重要的补强应分别计算。
决定因素是外压(失稳为主)。究其原因主要有
以下两方面:
2为何有不需另行补强的接管
原因一:由于此时两式中的売体开孔处的计
这是由于压力容器设计、制造特点决定的,
算厚度δ不同,一个是按内压计算厚度,一个是
也是等面积补强的要求为判别条件的。由于不同
的开孔接管结构具有不同的应力集中系数(应力
安外压计算厚度;
集中系数是指开孔接管区的最大弹性应力和无孔
原因二:两者补强的目的不同,对于内压壳
时该元件最大应力之比值),尽管补强可以降低
体,因开孔而削弱的是截面积,必须在补强的有开孔接管区的应力增大现象,但经正确补强后仍
效范围内补偿相同数量的截面积;对于平封头或
甲=
外压壳体,因开孔而削弱的是惯性矩,必须在补作者简介:潘光国(1990-),男,甘肃天水人,大学本科,助
强的有效范围内补偿相同数量的惯性矩。
理工程师。主要从事压力容器设计工作。
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第11期
潘光国等压力容器开孔补强有关问题的探讨
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然存在一定的局部高应力,其应力集中系数仍可强不能仅仅计及圆筒开孔边缘的拉伸应力强度,
达3.0左右。对于压力容器选用延性较好的材料,还要考虑孔边的弯曲应力:孔边的弯曲应力主要
在小范围内即使存在一定的应力增强,甚至达到由“静力平衡”和“拉压平板孔边弯矩作用”产
屈服也由于应力的再分布,且其中相当一部分属生,并非是变形协调产生,属于一次应力,与等
于峰值应力,在压力无急剧波动时不致构成失面积法所考虑的弯曲应力(变形协调产生)的性
效。故GB150.3-2011对于满足相应条件的开孔可质是不同的;因此应用此方法应注意该方法的限
以要求不需另行补强,这些条件主要是相应的设制条件。
计压力、材料、开孔大小、接管厚度、开孔间距4对开孔补强设计的启示
以及焊接位置等。如果设计时对某接管不另行
强,那么就要满足相应的前提条件。尤其在制造
从由开孔引起受载截面积的削弱和应力集
时应避免与A、B类焊缝相碰,这主要是避免由于
中可知,对于两向应力相同的壳体或平板,如球
孔边应力集中的相互干扰、叠加而导致应力集中
壳、椭圆形或碟形封头以及平板封头,由非径向
系数的提高
接管所构成的椭圆孔其应力集中系数和削弱截面
积总比由径向接管所构成圆孔的对应值为大。
理解开孔接管所可能引起的问题,对正确、
全面地执行规范的有关规定和估计可能引起的问
对于二向应力不同的圆筒和锥壳,当椭圆孔
题会有所帮助
的长轴垂直于壳体的最大应力,即长轴沿圆筒或
锥壳轴线方向布置时,所引起的截面积削弱和应
从接管和壳体相连接时自由变形的协调性角
力集中系数最大;当椭圆孔的长轴平行于壳体的
度分析,务使经补强后的壳体和接管刚柔相济,
最大应力,即长轴垂直于圆筒或锥売轴线方向布
厚薄均匀,平滑过渡,以免造成刚性差距过大,
置时,长短轴比值小于2的椭圆孔所引起的截面积
从而导致过大的附加边缘应力。从这一角度分
削弱和应力集中系数最小。
析,设置补强圈的补强措施远不如采用厚壁管或
同时加厚接管和壳体的补强措施。此外,也不能
所以,在圆筒或锥売上开有椭圆形人孔时,
理解为补偿的面积越多越好,因为超过规定截面
总是将椭圆孔长轴垂直于圆筒或锥壳轴线方向布
积要求的补强,会导致在该处的刚性过大而增加
置;而在裙式支座(仅受轴向应力作用)上开有
了与邻近处相接的结构不连续性。
椭圆形人孔或管道引出孔时,总是将椭圆孔长轴
沿裙座体轴线方向布置。相应的,在圆筒或锥売
3等面积补强与分析法应用的限制条件
上的开孔接管如设有补强圈,为尽可能减小补强
GB150.3-2011提供了两种补强方法,两种补圈承载截面积的削弱,补强圈上的M10试压孔应
强方法各有特点,在实际应用中应该如何选用,沿圆筒或锥壳的周向方向布置
可从这两种补强方法进行对比分析:
等面积补强法要求壳体开孔后,在壳体和接
◆参考文献
管连接处周围的补强金属量必须大于或等于壳体[]GB150.3-2011,压力容器第3部分:设计[S]
由于开孔而失去的金属量。这是基于维持容器整
桑如苞.压力容器强度设计技术分析(三)石油化工设
体屈服强度概念的方法。由于等面积补强法是建
计,2000,17-(1):41-54.
[3]李世玉.压力容器设计工程师培训教程M们北京:新华出
立在无限大平板开小孔的理论基础上,故对小直版社,2005.
径的开孔安全可靠,因此必须限制开孔直径和开
4]桑如苞,压力容器圆筒大开孔应力分析设计中的弯曲应
孔直径与壳体直径之比。
力压力容器宣贯培训讲义,2010
[5]丁伯民.ASME压力容器规范分析与应用M!.北京:化