壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)分析

1、壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)分析6-4-1開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)概述為滿足工藝操作、容器制造、安裝、檢驗(yàn)及維修等要求， 在壓力容器上開孔是不可避免的。容器開孔以后，不僅整體強(qiáng)度受到削弱， 而且還因開孔引 起的應(yīng)力集中造成開孔邊緣局部的高應(yīng)力。因此壓力容器設(shè) 計(jì)中必須充分考慮開孔的補(bǔ)強(qiáng)問題。GBI50給出了通常壓力容器殼體及平蓋上的開孔補(bǔ)強(qiáng)方 法。所考慮的開孔容器部件有：圓筒殼、球殼（包括碟形封頭上的球面部分）、錐殼、橢圓形封頭及平蓋。為避免開孔引起更高的應(yīng)力集中，GB 150規(guī)定開孔的形狀僅限于圓孔和長短軸之比 <2的橢圓孔或長圓孔。容器開孔以后，強(qiáng)度必然受到削弱，但由于容器厚度在設(shè) 計(jì)中可能存在一定的裕

2、量，因此可利用其強(qiáng)度裕量，允許不 另行補(bǔ)強(qiáng)，判別條件見 & 3條。當(dāng)開孔超出該條件時(shí)，則 必須通過計(jì)算來判斷是否需要予以補(bǔ)強(qiáng)。容器補(bǔ)強(qiáng)可以有以下方式:a. 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)b. 厚壁管補(bǔ)強(qiáng)c .整體補(bǔ)強(qiáng)（包括增加殼體厚度）補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)由于與被補(bǔ)強(qiáng)殼體間存在較大的不連續(xù)性因此，對(duì)其適用條件進(jìn)行了限制，詳見GBI50 8 . 4. 1條。開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算方法分為兩種：a。等面積法（GBI50）b。密集補(bǔ)強(qiáng)法（另一方法，JB4732）由于兩種補(bǔ)強(qiáng)方法均以千定的假設(shè)為前提，因此有各自酌限制條件：a.等面積法：該法是以受拉伸的開孔大平板作為計(jì)算模 型的，即僅考慮容器殼體中存在的拉伸薄膜應(yīng)力，且以補(bǔ)強(qiáng) 殼體

3、的一次總體平均應(yīng)力作為補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則。當(dāng)開孔較小時(shí)，開 孔邊緣的局部應(yīng)力是以薄膜性質(zhì)的應(yīng)力為主的，因此上述假 設(shè)可以適用。但隨著殼體開孔直徑增大，開孔邊緣不僅存在 很大的薄膜應(yīng)力，而且還產(chǎn)生很高的彎曲應(yīng)力，故對(duì)該方法 須規(guī)定適用條件。各種殼體上所允許開孔的最大直徑見GBI508 . 2條的規(guī)定。b。密集補(bǔ)強(qiáng)方法(另一方法)：此法是以殼體極限分析為 基礎(chǔ)的，相對(duì)等面積法合理得多。但須受開孔殼體和補(bǔ)強(qiáng)接 管的尺寸限制，殼體適用條件見JB4732 10 . 3. 1條。等面積法是壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算中應(yīng)用最廣泛且較簡 便的方法，有關(guān)內(nèi)容簡述如下：等面積法顧名思義是：殼體截面因開孔被削弱的承受強(qiáng)度 的面積，

4、須有補(bǔ)強(qiáng)材料予以等面積補(bǔ)償。其實(shí)質(zhì)是殼體截面 因開孔喪失的強(qiáng)度，即被削弱的“強(qiáng)度面積” A乘以殼體材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力c ) t，即A a ) t ,應(yīng)由補(bǔ)強(qiáng) 材料予以補(bǔ)償。當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)材料與殼體材料相同時(shí)，則補(bǔ)強(qiáng)面積 就等于削弱的面積，故稱等面積法。對(duì)補(bǔ)強(qiáng)材料與殼體材料 不同的情況，當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)材料的許用應(yīng)力小于殼體材料時(shí)，應(yīng)按 殼體材料與補(bǔ)強(qiáng)材料許用應(yīng)力之比增加補(bǔ)強(qiáng)面積；反之，所 需補(bǔ)強(qiáng)面積也不得減少。殼體開孔以后，在開孔邊緣產(chǎn)生局部高應(yīng)力。 根據(jù)局部應(yīng) 力的分布衰減規(guī)律，在離開孔邊緣較遠(yuǎn)處其應(yīng)力便恢復(fù)到正 常水平。為有效發(fā)揮補(bǔ)強(qiáng)材料的強(qiáng)度，補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)設(shè)置在開 孔附近的高應(yīng)力區(qū)域，即有效補(bǔ)強(qiáng)范圍

5、內(nèi)。有效補(bǔ)強(qiáng)范圍分布在開孔殼體和接管兩部分上。開孔殼體上的有效補(bǔ)強(qiáng)范圍：主要是以受拉伸開孔大平板 的孔邊應(yīng)力的衰減情況進(jìn)行考慮的，即補(bǔ)強(qiáng)范圍取為2倍開孔直徑。接管上的有效補(bǔ)強(qiáng)范圍：是以端部受均布載荷的圓柱殼的邊緣應(yīng)力的衰減情況進(jìn)行考慮的，即補(bǔ)強(qiáng)范圍?。╠ 開孔直徑，8 nt接管名義厚度）。補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)，在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的所有多余面積 （即有效 厚度提供的面積扣除殼體或接管本身強(qiáng)度所需的面積 ）均可 作為補(bǔ)強(qiáng)面積。容器殼體及平蓋因開孔削弱須補(bǔ)強(qiáng)的面積，按CBI50 & 5的規(guī)定。以上計(jì)算是以容器單個(gè)開孔， 即開孔不受鄰近開孔的影響 的情況為基礎(chǔ)的。當(dāng)相鄰開孔間距小于兩倍開孔平均直徑時(shí)，開孔

6、補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算要求見CBI50 8 . 8條。對(duì)開孔率超過規(guī)定的大開孔，可采用應(yīng)力分析法、試驗(yàn)驗(yàn) 證方法及對(duì)比經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。6-4-2殼體與平板開孔補(bǔ)強(qiáng)的區(qū)別平板在內(nèi)壓力作用下（外壓力情況亦同），板中產(chǎn)生的是彎 曲應(yīng)力，即一次彎曲應(yīng)力。平板開孔以后，由于抗彎截面系 數(shù)減小，抗彎強(qiáng)度受到削弱。為此對(duì)板的補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則為：應(yīng)使 補(bǔ)強(qiáng)后平板的彎曲強(qiáng)度與開孔前保持不變。當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)材料與平板材料相同時(shí)， 則意味著應(yīng)使補(bǔ)強(qiáng)后板的 抗彎截面系數(shù)與開孔前保持不變。這是與殼體開孔補(bǔ)強(qiáng)要求 的不同之處。設(shè)一圓平板如圖所示：板厚為占8 0,直徑為do,在板中心，開設(shè)直徑為 d的孔，補(bǔ)強(qiáng)材料的厚度為8 ,補(bǔ)強(qiáng)板直徑與平板相同。d

7、o8i則：圓平板開孔前的抗彎截面系數(shù)Zo=圓平板開孔后與補(bǔ)強(qiáng)板(焊成一體)的組合抗彎截面系數(shù) 為：(必-/)(&+疔Z/Zo= 礙応=( 1-d/do)(1+ 8 / 8 o)2。平板開孔被削弱的截面積Ao=d 8 o補(bǔ)強(qiáng)板的截面積A: (d。一 d) 8設(shè)補(bǔ)強(qiáng)面積與開孔面積之比為kk=A/Ao=(do-d) 8 /d 8 o根據(jù)平板開孔補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則，則有Z/Zo=1即：(1-d/do )(1+ 8 / 8 o) 2=1將(2)式代入(3)并以簡化后可得k與d/do的關(guān)系式:k2-2(1 -do)k+(1 -do/d)=O求解該一元二次方程，得k=(1 do/d) 士" (1 d

8、o/d)2 (1 do/d)因k必為正值，故k=(1 Jo / d)+ V (1 do/d)2 (1 do/d)可見平板開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積 A與開孔面積Ao之比k，隨 平板直徑do與開孔直徑d之比do/d而變化。取do/d不 同值，可得相應(yīng)A值如下表。do / d1 . 526 8410A0 . 3660 . 4140 . 4640 . 4770 . 4830 . 487由于平板開孔有效補(bǔ)強(qiáng)范圍取為2倍開孔直徑，即補(bǔ)強(qiáng)板直徑do取2d, do/d=2,故相應(yīng)之應(yīng)k= ; 0. 414，即平板開孔所需的補(bǔ)強(qiáng)面積僅需開孔削弱的強(qiáng)度面積的0. 414倍為此，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了平板所需補(bǔ)強(qiáng)面積為0. 5倍的被

9、削弱的強(qiáng)度面積。這實(shí)際上已是偏于安全的要求。以上所述即是平蓋開孔直徑 d< 0.5 Di （Di 圓平板直 徑）且采用補(bǔ)強(qiáng)板的情況。當(dāng) d>0. 5Di時(shí)，由于圓平板被開 孔以后，板截面寬度較小，此時(shí)，“圓平板”已趨向圓環(huán)（板 截面的寬度與板厚相當(dāng)），其受力狀況與圓環(huán)相接近，故宜 按法蘭進(jìn)行計(jì)算。由以上分析可知，就標(biāo)準(zhǔn)& 6條的計(jì)算方法，平蓋開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積比相應(yīng)殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積可少一半，乃是 兩種不同補(bǔ)強(qiáng)要求引起的結(jié)果。6-4-3內(nèi)壓容器與外壓容器開孔補(bǔ)強(qiáng)的區(qū)別？答：由于外壓容器失穩(wěn)時(shí)表現(xiàn)為周向彎曲， 因此對(duì)殼體開 孔的補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則，即與平板相同。為此標(biāo)準(zhǔn) 8. 5. 2

10、條對(duì)外壓 容器開孔補(bǔ)強(qiáng)面積僅取 0.5倍的開孔削弱的“穩(wěn)定面積”， 可謂半面積法。其與內(nèi)壓容器的等面積補(bǔ)強(qiáng)正好相差一半平板受力方式不分內(nèi)壓、 外壓，都是承受彎曲應(yīng)力，只不 過兩者應(yīng)力方向相反而已。其開孔補(bǔ)強(qiáng)要求是相同的，故可 按內(nèi)壓平板進(jìn)行計(jì)算。6-4-4等面積法與另一方法的比較 ？答：等面積法，由于僅從計(jì)算截面的一次平均應(yīng)力概念出發(fā)，只考慮殼體計(jì)算截面的承載能力與內(nèi)壓力的平衡，因此 是屬于滿足靜力強(qiáng)度的簡單方法。它對(duì)開孔結(jié)構(gòu)安定性的保 障是通過雙向受拉伸的無限大平板開孔問題所導(dǎo)出的孔邊 應(yīng)力集中系數(shù)3的模型近似加以考慮的。 不過，此法由于經(jīng) 過長時(shí)間的使用實(shí)踐，對(duì)一般壓力容器使用條件也能滿足

11、安 定性要求，因此在工程設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。此法因未涉及峰值應(yīng)力的疲勞強(qiáng)度問題，因此不適用于有疲勞強(qiáng)度要求的開孔設(shè)計(jì)。另一方法是從“安定性”概念出發(fā)，將局部高應(yīng)力點(diǎn)的虛擬應(yīng)力限制在2 a s以內(nèi)以內(nèi)，從而使開孔接管區(qū)保持安定。等面積法是建立在一次加載方式下靜力強(qiáng)基礎(chǔ)上的補(bǔ)強(qiáng)方法，以“大平板”作為計(jì)算模型，且以整個(gè)殼體計(jì)算截面的平均應(yīng)力的概念進(jìn)行計(jì)算；“另一方法”的模型和分析結(jié) 果比較符合實(shí)際開孔的情況，計(jì)算較為合理，一般計(jì)算結(jié)果 所需補(bǔ)強(qiáng)的面積也比等面積為小，相對(duì)較為先進(jìn)合理。但是 由于對(duì)開孔直徑和形狀、補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)和材料有苛刻限制，故使 本方法的應(yīng)用受到很大制約。6-4-5等面積法與壓力面積法

12、的比較 ？'答：壓力面積法是西德 AD規(guī)范中采用的開孔補(bǔ)強(qiáng)方法， 其適用范圍可較等面積法為大。當(dāng)開孔率超出等面積法適用 范圍時(shí)，HG則推薦采用該法進(jìn)行設(shè)計(jì)。其實(shí)，壓力面積法與等面積法一樣，都是基于靜力強(qiáng)度， 且以殼體截面的承載能力與內(nèi)壓力相平衡為準(zhǔn)則的計(jì)算方 法。兩種計(jì)算方法雖然形式不同，但實(shí)質(zhì)是完全相同的。關(guān) 于兩種計(jì)算方法的詳細(xì)比較見“壓力面積法開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 方法分析”一文（石油化工設(shè)備技術(shù)1987年1期）。應(yīng)指出的是：這兩種計(jì)算方法中對(duì)殼體有效補(bǔ)強(qiáng)范圍的取 法是不同的。等面積法：對(duì)殼體有效補(bǔ)強(qiáng)寬度月取為2倍開孔直徑d, 即B=2d，這是以大平板開孔的應(yīng)力集中分布范圍進(jìn)行考慮 的。

13、B的取值是以殼體邊界即b=C7 ,其中：dB直接與開孔直徑相B與殼體直徑及厚度有壓力面積法：對(duì)殼體有效補(bǔ)強(qiáng)范圍 效應(yīng)的局部應(yīng)力衰減范圍進(jìn)行考慮的。 殼體內(nèi)徑，8 一殼體有效厚度?？梢姷让娣e法的殼體有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 關(guān)。壓力面積法的殼體有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 關(guān)。因此對(duì)較大直徑的殼體上較小的開孔，壓力面積法的有 效補(bǔ)強(qiáng)寬度召可比等面積法大得多。反之，對(duì)較小直徑的殼 體上較大的開孔，等面積法的 B則比壓力面積法的 B為大。由于有效補(bǔ)強(qiáng)寬度 B直接影響有效補(bǔ)強(qiáng)面積的大小， 故關(guān) 系到所需補(bǔ)強(qiáng)面積的多少。對(duì)一般較大直徑容器上的接管， 由于二往往大于d，因此壓力面積法的有效補(bǔ)強(qiáng)寬度B較大，有效補(bǔ)強(qiáng)面積相應(yīng)較多，則所需補(bǔ)強(qiáng)的面積就較少。由 此產(chǎn)生壓力面積法比等面積法先進(jìn)的看法，實(shí)際上僅是一種 誤解。特別應(yīng)強(qiáng)調(diào)指出的是：壓力面積法和等面積法一樣，都不適用于有疲勞強(qiáng)度要求 的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。當(dāng)開孔率超出CBI50的規(guī)定范圍時(shí)，應(yīng)考慮進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng) 力分析或有成功使用經(jīng)驗(yàn)的對(duì)比經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。6-4