浅谈压力容器开孔补强的方法及计算
韩秋菊
中石化上海工程有限公司 上海 ?200120
摘 要：本文论述了在压力容器的设计中，采用开孔补强的设计方法，由于开孔补强有很多种，本文对其中几种进行深入的分析比较。
关键词：压力容器，开孔补强，计算
1.引言
随着工业化的发展，压力容器在化工行业越来越普遍，其安全性也越来越受到重视。开孔补强计是压力容器设计中必不可少的一部分，压力容器开孔后，不仅整体强度削弱，而且还因为开孔造成的应力集中造成开孔边缘局部的高应力，在制造过程中，开孔部分不可避免的形成缺陷与残余应力，于是，开孔附近就往往成为容器的破坏源,因此，在压力容器设计中必须充分考虑开孔补强问题。
2.开孔补强常用的方法
2．1等面积补强法
等面积补强法是我国压力容器标准GB150中介绍的一种补强方法。等面积补强法的原则是：在容器和接管连接处周围补强的截面积等于壳体因开孔所减少的截面积。这种补强的方法是以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则，故对小直径的开孔安全可靠。同时该方法比较安全可靠，使用简便，在中低压容器设计中较多采用，这也是我们平时设计中最为常见的一种补强方法。
2．2压力面积补强法
压力面积补强法是西德AD压力容器规范中采用的补强方法，它的设计原理和等面积法补强方法相同，不同的是对于壳体补强有效范围规定不同。压力面积补强法开孔率可达0.8，所以当开孔率超过等面积补强时，可以采用压力面积补强。经过许多实例考证，由于此法计算结果与实际应力相差较大，所以在设计中此种补强方法并不常见。
2．3 ASME法
美国的ASME法则是在压力面积法的基础上，考虑了开孔接管后作用 开孔边缘的接管轴向拉力与开孔前作用在开孔区上的内压在作用位置上的差异所引起的弯矩。因此该补强计算在考虑薄膜应力的基础上又补充了一个弯曲应力。但是有限元分析得出：圆孔大开孔边缘不仅存在绕圆筒母线的弯曲应力，还存在一个绕接管母线的弯曲应力。因此，合理的开孔补强计算应该考虑上述三项应力。
2．4 以有限元分析为基础的补强法
以有限元分析为基础的补强法的补强范围是依据有限元分析计算为基础的。有限元分析计算的特点是应力计算很准确，所以在工程中使用比较广泛。但是有限元的准确性受众多因素控制，特别是边界条件、网格划分和评定路径的选择及应力的类别判定，在一些重要设备的大开孔设计时，应详细分析其受力情况，尽量考虑已有的设计经验，按一种方法计算后再用有限元法进行校核。
3．开孔补强计算
3．1压力容器小开孔补强计算
在一般情况下，小开孔的补强使用比较广泛的是等面积补强方法。该方法的基础理论是在有效的补强范围内所加补强材料的截面积必须大于或等于因为开孔而失去的截面积。理论模型是无限大的平板开小孔，不至于因开边缘附加弯曲应力引起大的误差，其计算方法如下
满足下列条件不需要补强：
A1+A2+A3≥A
不满足这一条件则需要补强：
A0=A-(A1+A2+A3)
式中：
A----壳体因开孔而削弱的截面积；
A0---补强金属的面积；
A1---筒体或封头上超过计算厚度S所多余的金属截面积；
A2---截面上超过强度计算厚度所多余的金属截面积；
A3---补强区内焊缝的截面积。
其适用范围是局部补强的材料基本上与壳体相同，其强度不应小于壳壁材料强度的75%。适用于筒体的最大开孔直径di≤1/2Di;
di---开孔最大直径；
Di---封头内径。
这类计算方法只能用在一般情况下，在大开孔时补强情况下则不适用，下面将对起进行讨论。
3．2压力容器大开孔补强方法
大开孔压力容器在开孔接管部位应力集中，所以必须进行补强。国际上通行的各种压力容器设计规范为对容器大开孔作一个明确的界定，GB150-1998也对开孔最大的直径作了限制，而对于超出限制值的容器开孔，工程上一般称为大开孔。由于大开孔后，孔的边缘不仅存在大的薄膜应力，而且还会产生高的弯曲应力。因此以受拉伸开孔大平板为计算机模型的等面积法补强则不适用。目前工程上常用的大开孔补强方法是压力面积法和美国的ASME法，下面将用两种方法对大开孔进行计算。
3.2.1压力面积法分析
压力面积法的计算通式为：
ApP≤Az([σ]-P/2)
式中ApP=D1/2(d1/2+h)+d1/2(δ+h1)
A=hz+h1δ1
其中：
D1---筒体内径；
d、d1---接管内径、接管工程直径；
Ap---有效补强范围的压力作用面积；
Az---有效补强范围壳体、接管、补强金属截面积；
P----计算压力；
h、h1---筒体的补强长度、接管的补强高度；
δ、δ1---筒体厚度、接管厚度；
c----筒体壁厚附加量。
该式是以有效补强范围内受压面积与承载截面面积的力平衡为基础的，即压力在壳体受压面积上形成的载荷与有效补强范围内壳体、接管及补强材料的面积具有承载能力相平衡。在开孔直径较大时d/2(D1+δ-C)( δ-C),压力面积法补强范围相对较小，具有密集补强的特点，可以有效降低开孔接管部位的应力集中，从而相贯壳体部位趋于安全。
3.2.2美国ASME分析
ASMEⅧ－1 2001版附录中的大开孔补强计算方法是在压力的基础上增加了一项弯曲应力，故应力由薄膜应力和弯曲应力两部分组成。
式中
---图2中阴影线区域的面积
e---图2中阴影线区域面积的中性轴到壳壁中面处的距离
计算要求
由计算式可知，该法的薄膜应力计算方法与压力面积法相同，只不过有效强度范围略有调整。
由M计算式可知，弯矩由两项组成，第一项为因开孔接管后作用在开孔边缘的接管轴向拉力与开孔前作用在开孔区上的内压在作用位置上的差异所引起的弯矩。
上述压力面积法和ASME法虽都已经列入国外的标准，但事实上还是有纰漏之处。压力容器大开孔有限元分析在开孔截面上的应力云图揭示：应力等值线与圆筒轴线总是呈倾斜线状态分布（图5与图6）.这说明开孔截面上不仅存在ASME法已考虑的绕圆筒母线的弯矩，而且还存在绕接管母线的弯矩，所以准确的大开孔补强计算必须计及两个方向的弯曲应力。
4．结束语
综上所述，对于压力容器的补强，我们在设计中不仅要选择补强方法、补强结构、补强形式，同时也应根据容器开孔的大小及容器具体工况，来采用具体的补强方法和具体的补强措施。
参考文献
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[2] 余国宗 化工容器 [M].北京：化学工业出版社，1980.202-219
[3] 郑津洋 董其伍 桑芝富 过程设备设计 [M],北京：化学工业出版社，2005.7。
Calculation of adding intensity under exiting hole of pressure container
Abstract
This article discusses the calculation of adding intensity under exiting hole of pressure container, There are a variety of means of adding intensity under exiting hole of pressure container, This disquisition supply several of them to conduct in-depth analysis .
Key words: Pressure container, Reinforcement, Calculation