高壓容器開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算

高壓容器開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算

0開孔數(shù)據(jù)的現(xiàn)行分析化肥行業(yè)的生產(chǎn)離不開高壓裝置。由于結(jié)構(gòu)要求，在設(shè)計(jì)容器時(shí)，必須打開和連接容器中的孔和連接。容器上開孔,不但會(huì)削弱容器的強(qiáng)度,而且在開孔的附近會(huì)造成很高的局部應(yīng)力,因此必須妥善解決開孔后的補(bǔ)強(qiáng)問題。當(dāng)前,由于設(shè)備趨于大型化和設(shè)計(jì)、制造水平的提高,開孔的直徑越來越大,而開孔破壞了原有的應(yīng)力分布并引起了應(yīng)力集中、強(qiáng)度削弱,因此必須妥善解決開孔后的補(bǔ)強(qiáng)問題。設(shè)備筒體的端部法蘭結(jié)構(gòu)如圖1所示,一側(cè)用螺紋法蘭連接一進(jìn)料口。由于結(jié)構(gòu)需要,在端部法蘭上開了一個(gè)通孔和連接螺紋法蘭的平臺(tái),使原來筒形的端部法蘭變?yōu)椴灰?guī)則的筒體。而在此處開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都沒有相應(yīng)的算法。本文結(jié)合GB150—1998《鋼制壓力容器》和HG20582—1998《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》中的開孔補(bǔ)強(qiáng)的算法,提出一種更加切合實(shí)際的計(jì)算方法(優(yōu)化的算法)并加以驗(yàn)證。1打開和修復(fù)孔的開口和范圍1.1開孔的形狀大小等面積補(bǔ)強(qiáng)法的原則是在容器和接管連接處周圍補(bǔ)強(qiáng)的截面積等于殼體因開孔所減少的截面積。其適用范圍是:(1)殼體上的開孔應(yīng)為圓形、橢圓形和長圓形,當(dāng)在殼體上開橢圓形孔(或類似形狀)或長圓形孔時(shí),孔的長徑與短徑之比應(yīng)不大于2;(2)對(duì)于圓筒,當(dāng)其直徑Di≤1500mm時(shí),開孔最大直徑d≤Di/2,且d≤250mm;當(dāng)直徑Di>1500mm時(shí),開孔最大直徑d≤Di/3,且d≤1000mm;(3)對(duì)于凸形封頭或球殼的開孔最大直徑d≤Di/2;(4)對(duì)于錐殼(或錐形封頭)的開孔最大直徑d≤Di/3。1.2接頭、殼體、現(xiàn)行材料要求壓力面積法允許壓力試驗(yàn)時(shí)最高應(yīng)力的局部區(qū)域產(chǎn)生可達(dá)1%的塑性變形。其適用范圍是:(1)可用于開孔內(nèi)徑與殼體內(nèi)徑之比不超過0.8;(2)接管與殼體采用全焊透結(jié)構(gòu),接管與殼體連接內(nèi)、外壁避免尖角過渡,應(yīng)采用圓角過渡;(3)接管、殼體、補(bǔ)強(qiáng)件的材料其常溫屈強(qiáng)比≤0.67,應(yīng)避免采用標(biāo)準(zhǔn)常溫抗拉強(qiáng)度下限值>540MPa的材料,如要采用須在設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)方面作特殊考慮;(4)接管、殼體、補(bǔ)強(qiáng)件之間的焊縫應(yīng)進(jìn)行無損探傷;(5)此補(bǔ)強(qiáng)方法不宜用于介質(zhì)對(duì)應(yīng)力敏感的場(chǎng)合;(6)大開孔應(yīng)避免用于可產(chǎn)生蠕變或有脈動(dòng)載荷的場(chǎng)合。2通過加工平臺(tái)桶的開口計(jì)算2.1補(bǔ)薄板前開孔圖2中的x-x剖面和y-y剖面分別為圖1所示端部法蘭開孔處局部剖面圖。由圖2中yy面可以看出,由于連接平臺(tái)的存在,端部法蘭變?yōu)樵谕鈭A處缺一弓形面積的不規(guī)則圓筒。要計(jì)算該處的開孔補(bǔ)強(qiáng),為了安全起見,通常的算法是將不規(guī)則圓筒轉(zhuǎn)化成當(dāng)量計(jì)算圓筒,即在削薄后的最薄點(diǎn)作一假圓(圖1和圖2),以假圓為當(dāng)量計(jì)算外徑來計(jì)算開孔的補(bǔ)強(qiáng)問題。這樣就可以用GB150—1998《鋼制壓力容器》和HG20582—1998《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》中的開孔補(bǔ)強(qiáng)的方法來計(jì)算。但是該方法存在不足:首先,一部分的開孔面積沒有計(jì)算在內(nèi);其次,一部分的殼體參與補(bǔ)強(qiáng)的面積沒有計(jì)算在內(nèi)。如果只用傳統(tǒng)方法計(jì)算會(huì)產(chǎn)生以下幾點(diǎn)問題:(1)當(dāng)開孔直徑不大時(shí),一部分參與補(bǔ)強(qiáng)的面積沒有被計(jì)算而造成材料的浪費(fèi);(2)當(dāng)開孔直徑較大時(shí),由于有一部分參與補(bǔ)強(qiáng)的面積沒有被計(jì)算,而造成實(shí)際的開孔補(bǔ)強(qiáng)已經(jīng)足夠而計(jì)算無法通過。在實(shí)際的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中,端部法蘭的外徑是由設(shè)備結(jié)構(gòu)、規(guī)格預(yù)先決定的,因此在開小孔時(shí),結(jié)構(gòu)尺寸所確定的壁厚有足夠的多余面積補(bǔ)強(qiáng)開孔。但如果開孔過大,則會(huì)出現(xiàn)局部開孔不夠的問題。2.2加強(qiáng)面積的計(jì)算優(yōu)化的計(jì)算方法與傳統(tǒng)的計(jì)算方法相似,也是將不規(guī)則圓筒轉(zhuǎn)化為當(dāng)量的計(jì)算圓筒,但是它不是以假圓為當(dāng)量計(jì)算外徑,而是將所有參與開孔的補(bǔ)強(qiáng)面積全部計(jì)算。如圖2所示,在y-y面上,假圓外的作為可補(bǔ)強(qiáng)的殼體面積和開孔面積都應(yīng)當(dāng)計(jì)算在內(nèi);在x-x面上,以假圓為基礎(chǔ),在有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi),將多余的可補(bǔ)強(qiáng)的殼體面積折算成x-x面上殼體的當(dāng)量厚度進(jìn)行計(jì)算?？梢钥闯?優(yōu)化的計(jì)算方法也是基于等面積法的計(jì)算方法,而且是對(duì)其在不規(guī)則圓筒開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的補(bǔ)充,因此它的適用范圍和等面積法應(yīng)該是一樣的。3材料及結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算舉例說明:設(shè)計(jì)壓力Pc=31.4MPa,設(shè)計(jì)溫度T=200℃,筒體公稱直徑DN1600mm,開孔公稱直徑DN200mm,腐蝕裕度C2=2mm,焊接接頭系數(shù)Υ=1,材料20MnMo鍛件。筒體結(jié)構(gòu)尺寸確定的厚度250mm,為安裝螺紋法蘭從外側(cè)削薄厚度30mm。由上述條件可以查詢資料得出:筒體內(nèi)徑Di=1600mm;接管直徑di=193mm;鋼材的厚度負(fù)偏差C1=0;強(qiáng)度削弱系數(shù)fr=1;筒體開孔處名義厚度δn=220mm;在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力[σ]t=177MPa。3.1應(yīng)力校正系數(shù)f因?yàn)镚B150—1998第8章的計(jì)算方法僅對(duì)圖2中的x-x面進(jìn)行計(jì)算,所以為了更準(zhǔn)確地計(jì)算此次開孔,將參照HG20582—1998第6章和ASMEⅧ第2冊(cè)D-5章,引入應(yīng)力校正系數(shù)F來計(jì)算x-x面和y-y面之面積。3.1.1不同加強(qiáng)范圍b此截面是平行于筒體軸線的截面,因此其應(yīng)力校正系數(shù)F=1。開孔時(shí)需要補(bǔ)強(qiáng)的面積AX:補(bǔ)強(qiáng)范圍B:取大值,則B=637mm在筒體削薄后最薄點(diǎn)作一假圓,以假圓直徑為筒體外徑來計(jì)算開孔時(shí)在補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)筒體能提供補(bǔ)強(qiáng)的多余面積A1X:在補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)接管能提供補(bǔ)強(qiáng)的多余面積A2X:能起補(bǔ)強(qiáng)作用的焊縫面積A3X:由此可以看出:在x-x面上補(bǔ)強(qiáng)面積不足。3.1.2筒體削薄地層的加強(qiáng)分析此截面是垂直于筒體軸線的截面,因此其應(yīng)力校正系數(shù)F=0.5,有關(guān)計(jì)算公式同x-x面。開孔時(shí)需要補(bǔ)強(qiáng)的面積AY:補(bǔ)強(qiáng)范圍B:取大值,則B=637mm在筒體削薄后最薄點(diǎn)作一假圓,以假圓直徑為筒體外徑來計(jì)算開孔時(shí)在補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)筒體能提供補(bǔ)強(qiáng)的多余面積A1Y:在補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)接管能提供補(bǔ)強(qiáng)的多余面積A2Y:能起補(bǔ)強(qiáng)作用的焊縫面積A3Y:由此可以看出:在y-y面上補(bǔ)強(qiáng)條件滿足。通過上述計(jì)算可以看出:在筒體削薄后的最薄點(diǎn)作一假圓,以假圓直徑為筒體外徑來計(jì)算開孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí),由于有一部分參與補(bǔ)強(qiáng)的面積沒有被計(jì)算,造成了開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算無法通過。3.2采用優(yōu)化的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算3.2.1y-y面的段式圍此截面是平行于筒體軸線的截面,因此其應(yīng)力校正系數(shù)F=1。以假圓為基準(zhǔn),在有效的補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi),將多余的可補(bǔ)強(qiáng)的殼體面積折算成x-x面上殼體的當(dāng)量厚度進(jìn)行計(jì)算。補(bǔ)強(qiáng)范圍B:取大值,則B=637mm在y-y面上補(bǔ)強(qiáng)范圍的角度α:R的范圍是在筒體外徑和有效厚度對(duì)應(yīng)的直徑之間(見圖3),分別計(jì)算后,角度α為17.54°和19.33°;而當(dāng)量厚度對(duì)應(yīng)的直徑是在外徑和假圓對(duì)應(yīng)的直徑之間,這兩者分別計(jì)算后,角度α為17.54°和18.07°。因此,角度取值α=18°在y-y面上在補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的多余的可補(bǔ)強(qiáng)的殼體面積S(C為削薄處的寬度):圖3為計(jì)算中各角度的圖例示意圖。解方程:S假———在y-y面上在補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的以假圓外徑為直徑的補(bǔ)強(qiáng)面積,mm2;R當(dāng)———在x-x面和y-y面上的當(dāng)量半徑,mm。在x-x面上殼體的當(dāng)量厚度δ當(dāng):開孔時(shí)需要補(bǔ)強(qiáng)的面積AX:以當(dāng)量厚度在補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)筒體能提供補(bǔ)強(qiáng)的多余面積A1X:在補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)接管能提供補(bǔ)強(qiáng)的多余面積A2X:能起補(bǔ)強(qiáng)作用的焊縫面積A3X:由此可以看出:在x-x面上補(bǔ)強(qiáng)條件滿足。3.2.2財(cái)產(chǎn)現(xiàn)行對(duì)材料補(bǔ)短板加固的要求此截面是垂直于筒體軸線的截面,因此其應(yīng)力校正系數(shù)F=0.5。開孔時(shí)需要補(bǔ)強(qiáng)的面積AY:補(bǔ)強(qiáng)范圍B:取大值,則B=637mm補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)多余的可補(bǔ)強(qiáng)殼體面積S:在補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)筒體能提供補(bǔ)強(qiáng)的所有多余面積A1Y:在補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)接管能提供補(bǔ)強(qiáng)的多余面積A2Y:能起補(bǔ)強(qiáng)作用的焊縫面積A3Y:由此可以看出:在y-y面上補(bǔ)強(qiáng)條件滿足。經(jīng)計(jì)算(見表1)可看出:采用了優(yōu)化后的算法,原先計(jì)算無法通過的開孔現(xiàn)在可以通過了。3.3驗(yàn)證計(jì)算方法壓力面積法在設(shè)計(jì)上適用范圍是,即。本例中,與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的適用范圍的差距分別達(dá)到7%和4%,因此,在實(shí)際計(jì)算的時(shí)候此種方法是不適用的而在此僅用此方法對(duì)上文提出的算法做一個(gè)驗(yàn)證,因此先記錄下實(shí)際情況與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的差距,然后再用壓力面積法對(duì)上文的方法進(jìn)行驗(yàn)證。(1)以假圓為外徑即驗(yàn)證傳統(tǒng)的計(jì)算方法。殼體有效的補(bǔ)強(qiáng)寬度b:取大值,則b=660mm補(bǔ)強(qiáng)有效范圍內(nèi)的壓力面積Ap:筒體上開孔區(qū)有效承壓金屬面積Aσ0:接管上開孔區(qū)有效承壓金屬面積Aσ1:補(bǔ)強(qiáng)金屬面積Aσ2:開孔區(qū)內(nèi)所有的有效承壓金屬面積Aσ:與要求差距為8.2%。(2)以當(dāng)量厚度對(duì)應(yīng)的直徑為外徑即驗(yàn)證優(yōu)化的計(jì)算方法。有效的補(bǔ)強(qiáng)寬度b:取大值,則b=660mm補(bǔ)強(qiáng)有效范圍內(nèi)的壓力面積Ap:筒體上開孔區(qū)有效承壓金屬面積Aσ0:接管上開孔區(qū)有效承壓金屬面積Aσ1:補(bǔ)強(qiáng)金屬面積Aσ2:與要求差距為3.4%。從以上的驗(yàn)證計(jì)算可以看出:無論是傳統(tǒng)的計(jì)算方法還是優(yōu)化的計(jì)算方法都無法通過壓力面積法的驗(yàn)證。優(yōu)化算法與要求的差距為3.4%,由于采用的算法不同,而且在適用范圍上也存在了7%和4%的差距,因此可以認(rèn)為這3.4%的差距是誤差級(jí)的。優(yōu)化算法可以采用,而傳統(tǒng)算法與要求的差距為8.2%,則相差太大,傳統(tǒng)算法不可采用。4在實(shí)際零件中的應(yīng)用從例題中可以看出優(yōu)化的計(jì)算方法讓原本沒有參與補(bǔ)強(qiáng)的面積參與補(bǔ)強(qiáng),使得用傳統(tǒng)計(jì)算方法無法計(jì)算通過的開孔最終通過了開孔計(jì)算。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中,端部法蘭開孔連接螺紋法蘭非常常見。當(dāng)遇到此類問題時(shí),如果是新設(shè)計(jì)的工程項(xiàng)目,則從工作效率(優(yōu)化的算法只有手工計(jì)算和自己編寫計(jì)算說明書)和實(shí)際零件加工成本(由于補(bǔ)強(qiáng)不足所增加的成本僅比原先增加不到10%,而且如果事先能考慮到這些情況,那么這部分的成本是計(jì)入報(bào)價(jià)的)的角度考慮,最好還是選用傳統(tǒng)的計(jì)算方法;如果是在設(shè)計(jì)過程中由于各種原因修改了管口而導(dǎo)致傳統(tǒng)計(jì)算方法無法計(jì)算通過時(shí),那么可以先用優(yōu)化的計(jì)算方法再計(jì)算一遍。例題就是實(shí)際設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的情況。原先的開孔是DN150mm,