浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计

压力容器的开孔补强设计是压力容器设计的重要环节。目前,国内压力容器按常规规范设计开孔补强时的常用标准主要有 GB150-1998《钢制压力容器》(以下简称 GB150)、HG2058-1998《钢制化工容器强度计算规定》(以下简称 HG20582)及 ASME锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第一册《压力容 器建造规则》(以下简称 ASME)。 GB150是强制性国家标准,是设计的最低要求 ,超出GB150开孔范围时,可以采用HG20582计算并遵循 HG20583-

1998《钢制化工容器结构设计规定》 (以下简称 HG20583)规定结构进行设计。压力容器开孔补强设计的方法有很多,如等面积法、压力面积法、安定性分析法、极限分析法、 PVRC法、增量塑性理论方法及实验屈服法等等。鉴于软硬件条件的和从设计成本考虑,国内一般采用等面积法和压力面积法进行开孔补强设计 ,上面提及的设计规范就是采用这两种方法设计开孔补强的。

1.各规范开孔补强方法的理论基础

GB150和 ASME规范均采用等面积法进行开孔补强设计 ,而 HG20582中的补强计算采用的是压力面积补强法。压力面积法与等面积法的实质是一致的 ,都是从确保容器受载截面的一次平均应力 (平均强度 )在一倍许用应力水平的计算方法 ,都未计及开孔边缘的局部应力和峰值应力对开孔的作用 ,只是两种方法对壳体有效补强范围的确定上有所不同 ;在补强金属面积的配置上,压力面积法比等面积法更具有密集补强的特点,对缓和接管根部应力集中的作用较大。

2 各规范开孔补强方法的适用范围比较

GB150和 ASME规范均适用于壳体上开圆形、椭圆形 (或类似形状 )或长圆形孔。GB150规定孔的短径与长径之比应不大于 0. 5;而 ASME规定当短径与长径之比小于 0. 5时 ,应增强短径方向的补强。各规范对开孔直径的相对大小均有 : GB150适用于d /D t ≤0.5; HG20582适用于d /Dt ≤0.8;而 ASME适用于d /D t ≤0.7。

2. 1 d /D t ≤0.5

对圆筒上开孔的：GB150规定当D i ≤1 500mm时,开孔最大直径d≤1 /2D i,且d≤520mm：当D i > 1 500mm时,开孔最大直径d≤1 /3D i,且d≤1 000mm。ASME规定(UG236) 当 Di ≤60in (1 520mm )时 ,开孔最大直径 d≤1 /2Di,且 d≤20 in (508mm )；当Di >60in (1 520mm )时 ,开孔最大直径 d≤1 /3Di,且 d≤40in (1 000mm )。

封头上开孔的要求: GB150298规定凸形封头或球形壳体的最大开孔直径d ≤1 /2D i;锥壳(或锥形封头)的开孔最大直径 d ≤1 /3D i;椭圆形封头或蝶形封头过渡部分开孔时,其孔的中心线宜垂直于封头表面。而 ASME规范对成型封头及球形壳体上的开孔经正确补强之后,对其开孔尺寸及位置不加。

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2. 2 d /D i >015

HG20582中的大开孔的补强计算适用于 01002≤(δn-Cd)/(D i +2δn) ≤0.1,可用于 d /D i≤0.8。但须满足以下 5个条件:

a.接管与壳体应采用全焊透结构,接管与壳体连接内外壁应避免尖角过渡,而采用圆角过渡;

b.接管、壳体和补强件的材料常温屈强比应满足σs/σb ≤0167。应避免采用标准常温抗拉强度下限值 σb >0MPa的材料 ,如要采用,须在设计和检验等方面做特殊考虑 ;

c.接管、壳体和补强件之间的焊缝应进行无损探伤 ; d.此补强方法不宜用于介质对应力敏感的场合 ;

e.大开孔应避免用于可产生蠕变或有脉动载荷的场合。

ASME规范规定对于较大直径开孔 (017≥d /D i >0.5)除了应符合上述当 d /D i ≤0.5时的规定外,还应符合以下3点:

a.补强面积较一般开孔要大些 ;

b.对补强金属的配置要求更靠近开孔接管根部,即要求具有类似密集补强的特点; c.当壳体的内径大于1 524mm ,接管的内径大于 1 016mm,并且超过314 Rt时,需要进行薄膜应力和弯曲应力的校核。

3 不需采取措施补强的开孔条件

GB150规定,不另行补强的开孔需满足下列全部条件: a.设计压力p≤2. 5MPa;

b.两相邻开孔中心的间距(对曲面间距以弧长计算)应不小于两孔直径之和的两倍; c.接管公称外径d0 ≤mm;

d.推荐不补强接管的外径和最小壁厚规格,如<57mm ×5mm、<76mm ×6mm、ASME规范对开孔不另行补强的要求是压力无急剧波动且满足下列全部条件的开孔:

a.用焊接、钎焊或翻边按相应的规则连接的接头 ,壳体厚度 t≤10mm,开孔直径d ≤mm;或壳体厚度t > 10mm ,开孔直径d≤60mm;

b.螺纹、螺栓或胀接连接时,在壳体或封头上的开孔直径d≤60mm;

c.符合上面a或 b的未补强的两个单独的开孔,其中心距不小于它们直径之和; d.符合上面 a或 b的未补强的3个或更多个的开孔 ,它们任意两孔的中心距不得小于下列数值:对圆筒或锥体 (1 +1. 5cosθ) ( d1+ d2 );对双曲面壳体或封头2. 5 (d1+ d2 )。

由上可知, ASME规范只限定压力无急剧波动厚度8mm ,开孔接管2

4 开孔补强结构

开孔补强结构主要分为补强圈补强和整体补强,整体补强包括增加壳体的厚度、厚壁接管或整体锻件。GB150规定,采用补强圈结构补强须同时满足下列条件:

a.钢材的标准抗拉强度下限值 σb ≤ 0MPa; b.补强圈厚度小于或等于1. 5δn; c.壳体名义厚度 δn ≤38mm。

HG20583对开孔补强采用补强圈结构的条件较 GB150严格,规定遇下列情况须采用整体补强 :

a.高强度钢 (σb > 0MPa)和铬钼钢 (如15CrMoR、14Cr1MoR)制造的容器 ; b.补强圈的厚度超过被补强件壁厚的1. 5倍或超过δmax (如碳钢δmax =32mm,16MnR钢δ= 30mm, 15MnVR钢δmax =28mm );

c.设计压力不小于4MPa; d.设计温度大于350℃;

e.容器壳体壁厚不小于38mm;

f.极度、高度危害介质的压力容器; g.疲劳压力容器。

ASME对补强件数量和分布方面做了规定,须保证补强所需面积对于通过开孔中心且与容器表面垂直的各平面均满足要求,单个开孔中心线的每一侧的补强面积应不少于所需补强面积的一半 ,且应对补强件及其焊接接头的强度进行校核。

5 开孔补强面积计算

5.1当 d /D i ≤015时计算开孔补强面积

当d /D i ≤015,由表 1可知 , GB150和ASME的开孔补强面积计算基本一致,虽然 ASME的计算公式中引用了 E1、fr1、fr2、fr3、fr4等系数 ,但 GB150的计算公式中的δ指的是壳体开孔处的计算厚度,已经考虑了E1系数;表1中 GB150的备有考虑。故GB150规范中的开孔补强计算不能直接用于非径向接管的开孔补强计算,对非径向接管的开孔补强计算,建议采用 HG20582中非径向接管的开孔补强计算方法计算,此方法考虑了应力校正系数。

5. 2 HG20582规范开孔补强面积计算

HG20582采用压力面积法进行开孔补强设计,其有效补强范围如下:

壳体补强的有效宽度 b =(D iδ-C) (δ-C) ,但至少b =3δ 接管外侧补强的有效高度h1 =1.25

(diδt-C')(δ-C')

接管内侧补强的有效高度h2= 0.625(diδt-C2')(δ-C2')

接管厚度方向补强只考虑有效范围 (超过此范围的金属不计入承压面积):

当接管厚度 (δt-C′)或 (δt-C′-C2 )大于壳体厚度 (δ-C)的 2倍时,接管的有效厚度按 2 (δ-C)计算。开孔补强面积计算 :

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（[σ ]-p /2）Aσ0+（[σ ]1-p /2）Aσ1+[σ ]2-p /2）Aσ2≥p A p

5. 3 ASME规范开孔补强面积计算

ASME规范规定对于开孔直径符合d /Di> 0.5且 d /D i ≤0.7时,开孔补强面积除了要按表 1计算外 ,还应进行薄膜应力和弯曲应力的校核: 薄膜应力 Sm= [R (Rn+ tn+Rm t) + Rn( t + te+

Rnm tn)]p/ As ≤S

通过容器筒体轴线的纵截面上壳体内表面与接管内表面相交处的弯曲应力 : Sb= Ma/I= （R3 n /6 + RRn e）（e + t/2）/I ≤1. 5S

6 结束语

虽然ASME规范和 GB150规范均采用等面积补强法进行容器上的开孔补强计算 ,但其适用的开孔直径范围不同。当开孔d /D i >0.5时,不能采用 GB150规范进行开孔补强计算;而ASME规范 ,只要符合附录 1-7规定即可采用。HG20582中大开孔的补强计算采用压力面积法进行开孔补强计算,满足一定的条件后即可用于d /D i ≤0.8的开孔直径。对于非径向接管的开孔补强计算, ASME规范引入了应力校正系数F,用于补偿相对于容器轴线不同平面上内应力的变化; GB150则未考虑,故只适用于通过开孔中心,且垂直于壳体表面的径向开孔接管的补强计算, HG20582中非径向接管的开孔补强计算详细地时,采用GB150标准设计为主 ,行业标准 介绍了非径向接管的开孔补强计算 ,可作为按HG20582&HG20583作为参考设计标准较为合GB150标准设计时,非径向接管开孔补强计算的适。

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