吳夢楚

西北大學(xué) 西安 710075

壓力容器殼體開孔允許不另行補(bǔ)強(qiáng)要求條件的分析

吳夢楚*

西北大學(xué) 西安 710075

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，由此，開孔補(bǔ)強(qiáng)是壓力容器設(shè)計(jì)和計(jì)算的重要組成部分。在《壓力容器》GB150.3-2011 的6.1.3 章節(jié)中給出了壓力容器殼體開孔允許不另行補(bǔ)強(qiáng)要求條件，本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的要求進(jìn)行了深入分析，以幫助壓力容器工程設(shè)計(jì)人員更好地理解標(biāo)準(zhǔn)中該部分的內(nèi)容。

壓力容器 開孔 不另行補(bǔ)強(qiáng)條件

壓力容器上的開孔接管對(duì)容器所引起的問題主要有三個(gè)方面：① 因開孔而導(dǎo)致容器組件承載力截面積的削弱；② 因開孔而造成孔邊的應(yīng)力集中；③ 接管和殼體構(gòu)成了不連續(xù)結(jié)構(gòu)，從而在接管的一定長度范圍和殼體孔邊附近一定范圍內(nèi)引起附加的邊緣應(yīng)力。

《壓力容器》GB 150.3-2011中6.1.3不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑規(guī)定殼體開孔滿足下述全部要求時(shí)，可不另行補(bǔ)強(qiáng)：① 設(shè)計(jì)壓力P≤2.5MPa；② 兩相鄰開孔中心距(對(duì)曲面間距以弧長計(jì)算)應(yīng)不小于兩孔直徑之和；對(duì)于3個(gè)或以上相鄰開孔，任意兩孔中心間距(對(duì)曲面以弧長計(jì)算)應(yīng)不小于該兩孔直徑之和的2.5倍；③ 接管公稱外徑小于或等于89mm；④ 接管壁厚滿足表1要求，表中接管壁厚的腐蝕余量為1mm，需要加大腐蝕裕量時(shí)，應(yīng)相應(yīng)增加壁厚；⑤ 開孔不得位于A,B類焊接接頭上；⑥ 鋼材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值Rm≥540MPa時(shí)，接管與殼體的連接宜采用全焊透的結(jié)構(gòu)形式。

表1 接管外徑在指定的接管壁厚內(nèi)不另行補(bǔ)強(qiáng) (mm)

以下對(duì)這些限制條件的原因做出分析和探討。

1 不另行補(bǔ)強(qiáng)的條件的總體原因分析

《壓力容器》GB 150根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、開孔間距、接管外徑、接管厚度、材質(zhì)以及焊接質(zhì)量，規(guī)定不另行補(bǔ)強(qiáng)的條件。并明確接管不得位于筒體A、B類焊接接頭上，主要基于以下考慮：

(1)容器產(chǎn)品的殼體厚度往往超過實(shí)際強(qiáng)度需要。這種情況下，可看作容器已被整體加強(qiáng)。

(2)在通常設(shè)計(jì)條件下，接管的最小壁厚往往多于實(shí)際需要，多余的金屬已經(jīng)起到補(bǔ)強(qiáng)作用。

(3)大量的實(shí)驗(yàn)得出，受壓殼體應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算式為：

式中：dop為開孔直徑，mm；Di為圓筒內(nèi)直徑，mm；δ為殼體開孔處的計(jì)算厚度，mm。

可見，隨著接管開孔直徑的減小，應(yīng)力集中系數(shù)降低，表1給出了接管外徑不超過89mm的不另行補(bǔ)強(qiáng)所對(duì)應(yīng)的接管厚度。

限制或考慮開孔中心間距，是為了防止孔邊局部應(yīng)力分布區(qū)域的疊加。

不另行補(bǔ)強(qiáng)是針對(duì)等面積法制定的，即其應(yīng)用的前提條件必須滿足GB 150.3-2011中“6.1.1等面積法適用范圍”的開孔;也不適用于所處幾何變化較大、應(yīng)力較復(fù)雜的位置開孔，如存在其他載荷(軸向載荷、彎矩、扭矩)，則等面積法不再適用。

表1中按照常用接管規(guī)格列出接管外徑和所需最小厚度，考慮接管的腐蝕裕量為1mm。其中的接管外徑指一個(gè)范圍，當(dāng)接管外徑介于同一壁厚中最小和最大外徑之間時(shí)都可以免于補(bǔ)強(qiáng)，例如：Φ34×3.5可以免于補(bǔ)強(qiáng)。當(dāng)實(shí)際腐蝕裕量大于1mm時(shí)，表1中的接管厚度應(yīng)相應(yīng)增加，但當(dāng)腐蝕裕量小于1mm時(shí)，接管壁厚不應(yīng)減少。

當(dāng)開孔不可避免地需位于A、B類焊接接頭上時(shí)，必須進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，并應(yīng)滿足《壓力容器》GB 150.3-2011中6.1.4開孔附近的焊接的焊接接頭“容器上的開孔宜避開容器焊接接頭。當(dāng)開孔通過或臨近容器焊接接頭時(shí)，則應(yīng)保證在開孔中心的2dop范圍內(nèi)接頭不存在有任何超標(biāo)缺陷”。為此，設(shè)計(jì)應(yīng)考慮必要的檢測手段并在設(shè)計(jì)文件中注明。

2 孔邊應(yīng)力分析和應(yīng)力集中的局限性

2.1 孔邊應(yīng)力分布

圖1 平板開小圓孔受單向拉伸

板中的應(yīng)力分量可用彈性力學(xué)解出：

在孔邊緣處r=a時(shí)，

σr=0τrθ=0

當(dāng)θ=±π/2時(shí)，

σθmax=3σ

當(dāng)θ=0，π時(shí)

σθmin=σ

在雙向拉伸下，板中承受的兩向應(yīng)力，孔邊應(yīng)力可按單向拉伸疊加起來而得：

σθ=3σ-σ=2σ

此時(shí)孔邊應(yīng)力分布見圖2。

圖2 孔邊應(yīng)力分布

對(duì)于壓力圓筒部分開孔受雙向拉伸，見圖3。

圖3 壓力圓筒部分開孔受雙向拉伸

其徑向薄膜應(yīng)力僅為周向薄膜應(yīng)力的一半，其σx、σy值分別為：

式中，P為設(shè)計(jì)壓力，MPa；R為容器半徑，mm； S為容器壁厚，mm。

采用同理疊加方法，此時(shí)孔邊應(yīng)力為：

當(dāng)θ=0，π時(shí)，

σθ=3σy-σx=2.5σy

當(dāng)θ=±π/2時(shí)，

σθ=3σx-σy=0.5σy

根據(jù)上式，可以看出，筒體開小孔后邊緣應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在筒體徑向截面上，且為σθ=2.5σy，即應(yīng)力集中系數(shù)k：

壓力容器設(shè)計(jì)中，圓筒中環(huán)向薄膜應(yīng)力σ是控制在一倍[σ]以下，根據(jù)安定性準(zhǔn)則，對(duì)局部應(yīng)力σθmax<3[σ]，容器在加載、卸載過程中不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力循環(huán)，可以認(rèn)為孔邊應(yīng)力的穩(wěn)定是能得到保障的。

2.2 應(yīng)力集中的局限性

由前述平板開孔的應(yīng)力分量公式可得，當(dāng)θ=±π/2時(shí) ，孔邊應(yīng)力沿半徑方向的變化為：

當(dāng)r=a,2a, 3a時(shí)(a為開孔半徑，且≤89/2mm),各點(diǎn)的應(yīng)力相應(yīng)為σmax=2.5σ,1.23σ，1.09σ,見圖4。

圖4 孔邊峰值應(yīng)力分布

由圖4可見，孔邊峰值應(yīng)力隨著離開孔邊的距離迅速衰減，也即孔邊的高應(yīng)力區(qū)非常的狹窄，這就有利于進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)。

3 允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的各項(xiàng)原因

壓力容器開孔后，允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的條件是基于以下各項(xiàng)原因：

(1)開孔會(huì)使壓力容器器壁整體削弱，還在孔邊產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，但開孔越小，整體削弱的程度越輕。局部應(yīng)力集中的區(qū)域也越小，相對(duì)而言，開孔周圍也有更多材料的彈性包圍而減輕削弱。

(2)壓力容器在設(shè)計(jì)和制造中，由于各種原因，殼體的厚度往往會(huì)超過實(shí)際強(qiáng)度的需要。容器壁的厚度的增加，則薄膜應(yīng)力相對(duì)減小，且相應(yīng)孔邊最大應(yīng)力值降低。這種情況實(shí)際使容器在一定程度上已被整體加強(qiáng)，從而增添不必另行補(bǔ)強(qiáng)的條件。殼體壁厚的實(shí)際富余可能來自于幾個(gè)方面：① 由于鋼板厚度規(guī)格的分級(jí)限制，使容器設(shè)計(jì)時(shí)因圓整而增加厚度； ② 對(duì)焊接園筒體或封頭，因焊接接頭系數(shù)<1使壁厚增加，而實(shí)際開孔并不位于焊接接頭上時(shí)，該處實(shí)際已起到整體補(bǔ)強(qiáng)作用；③ 標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的強(qiáng)度往往比圓筒體大，若采用封頭與筒體等厚鋼板，則封頭上應(yīng)力將相應(yīng)減小，這時(shí)封頭也有一定程度的整體補(bǔ)強(qiáng)。

(3)容器上開孔接管的壁厚也常多余實(shí)際需要，多余的部分也起到了補(bǔ)強(qiáng)作用，故對(duì)較小的口徑的開孔可以不必另行補(bǔ)強(qiáng)。

(4)兩相鄰孔中心間距遠(yuǎn)大于孔邊峰值應(yīng)力衰減范圍時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)就不會(huì)因相互重疊而照成局部應(yīng)力增大。

(5)容器的設(shè)計(jì)壓力越低，開孔削弱帶來的危害性相對(duì)越小。

因此，只要設(shè)計(jì)中同時(shí)執(zhí)行允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的各項(xiàng)條件，開孔后不作另行計(jì)算和補(bǔ)強(qiáng)仍然是安全的。

4 允許不另行補(bǔ)強(qiáng)條件中開孔間距要求

在石油化工裝置的容器中，某些中間容器往往要接受來自各個(gè)工藝系統(tǒng)的物料作為中間貯存，管口數(shù)量之多會(huì)在筒體上構(gòu)成密集分布，控制任意相鄰管孔的中心間距問題在設(shè)計(jì)中顯得特別突出。

(1)兩相鄰開孔中心間距條件的分析。孔邊峰值應(yīng)力的衰減情況和兩孔中心間距L≥2.5(d1+d2)的條件，我們假設(shè)筒體上3個(gè)或以上的開孔，孔徑相同。則任意兩孔間的應(yīng)力分布見圖5 。

圖5 筒體任意兩孔間的應(yīng)力分布

從圖中可見，兩孔孔邊應(yīng)力衰減區(qū)之間存有2a的距離，應(yīng)力近似于基本薄膜應(yīng)力σ的水平段。無論從開孔補(bǔ)強(qiáng)的有效寬度B=2d=4a的規(guī)定，或是從孔邊應(yīng)力衰減區(qū)2a+2a=4a 考慮，重疊區(qū)域的應(yīng)力疊加未超過孔邊緣的最大值2.5σ。在滿足其他條件下，允許不另行補(bǔ)強(qiáng)條件之一的，《壓力容器》GB 150.3-2011中的條件已修正為兩相鄰開孔中心距(對(duì)曲面間距以弧長計(jì)算)應(yīng)不小于兩孔直徑之和；對(duì)于3個(gè)或以上相鄰開孔，任意兩孔中心間距(對(duì)曲面以弧長計(jì)算)應(yīng)不小于該兩孔直徑之和的2.5倍。

對(duì)應(yīng)國外相應(yīng)規(guī)范[2,3]的規(guī)定，在壓力容器常規(guī)設(shè)計(jì)中對(duì)于3個(gè)或以上的開孔，滿足不另行補(bǔ)強(qiáng)的要求時(shí)，對(duì)于在圓筒型殼體或者錐殼上開孔，其任意兩孔的中心間距應(yīng)滿足L≥(1+cosθ)d1+d2(θ為開孔中心連線與殼體縱軸間的夾角)，在通常垂直殼壁開孔的情況下時(shí)，即得到L≥d1+d2,即滿足要求。因此，在本文所述的容器圓筒體上密集開孔，若控制相鄰兩孔中心間距l(xiāng)≥d1+d2，應(yīng)該仍是安全的，《壓力容器》GB 150.3-2011版本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比GB 150-1998版本標(biāo)準(zhǔn),關(guān)于不另行補(bǔ)強(qiáng)的條件的細(xì)化修正是合理的，這對(duì)遇到密集布置的小直徑接管開孔，可以更加有效地利用空間，從而減免開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，加快設(shè)計(jì)速度。

(2)目前在設(shè)計(jì)中尚需盡可能將開孔間距調(diào)整到現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定值，若其他條件均能滿足而兩孔中心間距確實(shí)無法達(dá)到要求時(shí)，則需增加開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，按計(jì)算結(jié)果確定另行補(bǔ)強(qiáng)與否。

5 結(jié)語

不需另行補(bǔ)強(qiáng)的原因主要還是考慮開孔處峰值應(yīng)力的局限性和衰減性。開孔附近的峰值應(yīng)力不會(huì)引起殼體整體屈服，要保證容器安全必須對(duì)應(yīng)一定限制，因此標(biāo)準(zhǔn)才設(shè)置了適用條件。

當(dāng)開孔接管完全滿足《壓力容器》GB 150.3的6.1.3條款不另行補(bǔ)強(qiáng)最大開孔直徑條件，標(biāo)準(zhǔn)不要求進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。若不能滿足標(biāo)準(zhǔn)中所列的全部條件，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，需要另行補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)要求予以補(bǔ)強(qiáng)。

1 GB 150-2011，壓力容器[S].

2 ASME Ⅷ-Ⅰ，壓力容器建造規(guī)則[S].

3 ASME Ⅷ-Ⅱ，壓力容器建造另一規(guī)則[S].

2017-03-28)

*吳夢楚：本科在讀。2014年就讀于西北大學(xué)化工學(xué)院過程裝備與控制工程專業(yè)。聯(lián)系電話：15667070102， E-mail:wumc0719@sina.com。