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压力容器开孔补强设计，这几个点你get到了吗？

发布时间:2016-07-28

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引言

由于各种工艺和结构的要求，不可避免地要在压力容器上开孔并安装接管，如图1所示。例如，物料进口、出口，测量和控制点（压力表、测温口）、视镜、液面计、人孔和手孔等。开孔后，除了削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，因结构的连续性被破坏，会产生应力集中，其峰值应力通常达到容器壁中薄膜应力的数倍。较高的局部应力，加上接管上有时还有其他的外载荷所产生的应力，热应力及容器材质和开孔结构在制造过程中造成的缺陷。于是，开孔附近会导致疲劳破坏和脆性裂纹，给容器的安全操作带来隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强问题[1][2]。

图1 压力容器开孔

1 等面积法与分析法的比较

GB150-2011[3]中规定了压力容器开孔补强的两种方法：等面积法和分析法。JB4732-1995（2005年确认）[4]中规定了压力容器开孔补强的方法：等面积补强法和附录J中的圆柱壳开孔接管的应力分析法。图2为等面积法有效补强面积示意图，等面积补强法就是使有效补强的金属面积等于或大于开孔所削弱的金属面积。分析法是根据弹性薄壳理论得到的应力分析法，用于内压作用下具有径向接管圆筒的开孔补强设计中。

图2 等面积法有效补强面积示意图

面就等面积法和分析法的不同之处进行比较。

（1）理论基础不同

等面积补强法以受拉伸的开孔大平板受力情况为基础。壳体由于开孔丧失的拉伸承载面积在孔边有效补强范围内等面积进行补强[5]。当补强材料与壳体材料相同时，所需补强面积就与壳体开孔削弱的强度面积相同。

应力分析法是根据弹性薄壳理论推导而出，该理论基础是清华大学研究组经过20多年研究提出，结果得到了前人许多试验结果及精细网格三维有限元解的验证，并为国际同行认可。

（2）适用范围不同

首先，两种方法的适用位置有所差别。等面积法适用于压力作用下壳体和平封头上的圆形、椭圆形或长圆形开孔[3]，包括内压容器和外压容器；分析法只适用于内压作用下具有径向接管圆筒的开孔补强设计[3]，不适用于非径向开孔、平封头上的开孔及外压容器开孔。从这点来说，等面积法的适用范围更广些。

其次，圆筒开孔率不同，具体如图3所示，GB150[3]中规定，等面积法的适用范围为：当圆筒直径Di≤1500mm，开孔最大直径dop≤Di/2，且dop≤520mm；当圆筒内径Di＞1500mm时，开孔最大直径dop≤Di/3，且dop≤1000mm。分析法适用的开孔率≤0.9 。由此可知，单纯从开孔率上比较，应力分析法较等面积法有了较大的提高，能解决更多的工程壳体开孔问题。

图3 圆筒开孔补强分析法与等面积法适用范围

（3）等面积法的局限性

针对开孔边缘的二次应力的安定性问题，等面积补强法是通过限制开孔形状和开孔范围（开孔率）间接加以考虑的，使孔边的局部应力得到一定的控制。

等面积补强法的局限性主要表现在以下两方面：①等面积法粗略地认为在补强范围内补强金属的均匀分布降低了孔边缘的应力集中作用；②等面积法忽略了开孔处应力集中于开孔系数（开孔率ρ、参数λ等）的影响。例如相同大小的开孔，当壳体直径很大时，造成的强度削弱就小，反之壳体直径很小时，开孔率很大，削弱也大。因此，等面积补强法属于有一定理论基础的经验方法，有时偏保守，有时偏冒进[5]。

2 开孔补强形式对压力容器疲劳的影响[1] [6]

压力容器的低周疲劳破坏大多发生在局部结构不连续处，如开孔、接管或截面发生突变的地方。由于局部地区的应力集中，在交变载荷作用下就有可能出现疲劳破坏。在容器中最值得关注的就是开孔补强结构。

容器的开孔补强形式有：补强圈补强、厚壁接管补强及整锻件补强，如图4所示。

图4 三种开孔补强结构示意图

（1）补强圈补强

结构简单、制造方便，使用经验丰富。但应力集中系数大于厚壁管补强，更大于整锻件补强，且补强圈与壳体之间采用搭接连接，难以与壳体形成整体，所以抗疲劳性能差，补强以后筒体疲劳寿命仅为无孔筒体的70%。因此，这种补强结构一般使用在静载、常温、中低压、材料标准抗拉强度低于540MPa、补强圈厚度小于或等于1.5δn、壳体名义厚度δn不大于38mm的场合。

（2）厚壁接管补强

结构简单，只在壳体与接管之间焊上一段厚壁加强管，接管加厚部分正处于最大应力区域内，故能有效地降低开孔周围的应力集中系数，结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验，目前已广泛应用。

（3）整锻件补强

优点是补强金属集中于开孔应力最大部位，应力集中系数最小，且采用对接焊缝，焊缝及热影响区避开最大应力点的位置，故抗疲劳性能好，疲劳寿命只降低10——15%左右。缺点是锻件制造成本高，机加工量大，所以只在重要压力容器中应用，如核容器，材料屈服强度在500MPa以上的容器开孔及受低温、高温、及疲劳载荷容器的大直径开孔等。

小结

本文主要介绍了压力容器开孔补强设计中等面积法与分析法的区别及开孔补强形式对压力容器疲劳的影响，在进行补强设计时，以上这几点你get到了吗？

参考文献

[1] 郑津洋，董其伍，过程设备设计（第三版）[M].北京：化工工业出版社，2010:87.

[2] 陈艳，压力容器开孔补强分析及各种补强方法的比较[J].广州化工，2012(1)；103-105.

[3] GB150- 2011，钢制压力容器[S].

[4] JB4732-1995(2005年确认)，钢制压力容器分析设计标准[S].

[5] 杨福昌，胡丽萍，李红，壳体径向平齐接管开孔补强之等面积法与应力分析法[J].石油化工设备，2013(8):22-25.

[6] 李建国，压力容器设计的力学基础及其标准应用[M].北京：机械工业出版社，2003：232.

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