韓志威，程濤濤

(惠生工程(中國)有限公司河南化工設(shè)計(jì)院分公司，鄭州 450018)

引言

隨著石油化工、煤化工行業(yè)裝置的大型化以及新技術(shù)新工藝的應(yīng)用，大型化、高設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的設(shè)備也逐漸出現(xiàn)，常規(guī)設(shè)計(jì)中難免會遇到新的壓力容器開孔結(jié)構(gòu)形式，例如錐形接管、斜錐形接管等結(jié)構(gòu)。而這些開孔結(jié)構(gòu)形式的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算在GB150.1 ～150.4-2011《壓力容器》［1］及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中均未提及。按照壓力容器設(shè)計(jì)要求，接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算是需要出計(jì)算書的。采用分析法固然準(zhǔn)確，但需投入大量的時(shí)間且要求較高的軟件應(yīng)用技能，因此顯得尤為麻煩。根據(jù)現(xiàn)有計(jì)算模型，可以將錐形接管、斜錐形接管等開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算進(jìn)行等量轉(zhuǎn)化，找到適用于工程設(shè)計(jì)的計(jì)算方法。

1 計(jì)算模型與補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法

HG/T20582-2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》中，第6章針對非徑向接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，提出了適用于圓筒、錐殼、球殼、凸形封頭和平封頭在內(nèi)壓或外壓作用下裝有單個或多個非徑向圓形接管(包括球殼和凸形封頭的非徑向接管、圓筒或錐殼軸向斜接管和周向斜接管、平封頭斜接管)的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法，適用范圍為殼體或封頭所允許的最大開孔直徑(以橢圓孔的短軸計(jì))。按GB150.1～150.4-2011有關(guān)章節(jié)的規(guī)定，采用補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，鋼材的常溫抗拉強(qiáng)度、補(bǔ)強(qiáng)圈厚度、殼體或封頭名義厚度的限制條件同《鋼制壓力容器》有關(guān)章節(jié)的規(guī)定。計(jì)算模型見圖1，采用的計(jì)算方法為等面積補(bǔ)強(qiáng)法。

殼體截面因開孔喪失的強(qiáng)度等于被削弱的承載面積乘以殼體材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，須有補(bǔ)強(qiáng)材料予以補(bǔ)償。從補(bǔ)強(qiáng)角度講，殼體截面由于開孔喪失的拉伸承載面積應(yīng)在孔邊有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)材料與殼體材料相同時(shí)，所需補(bǔ)強(qiáng)面積就與殼體開孔削弱的強(qiáng)度面積相等，即等面積補(bǔ)強(qiáng)法。無限大平板開小孔，是容器殼體進(jìn)行等面積補(bǔ)強(qiáng)的力學(xué)基礎(chǔ)。［2］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(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。［3］

等面積補(bǔ)強(qiáng)法以補(bǔ)償開孔局部截面的拉伸強(qiáng)度作為補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則，其補(bǔ)強(qiáng)只涉及靜力強(qiáng)度問題。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)范圍內(nèi)。有效補(bǔ)強(qiáng)范圍存在于開孔殼體和接管兩部分。開孔殼體上的有效補(bǔ)強(qiáng)范圍是以受拉伸開孔大平板孔邊應(yīng)力的衰減范圍進(jìn)行考慮的，即補(bǔ)強(qiáng)范圍取為2倍開孔直徑對應(yīng)的范圍。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環(huán)向薄膜應(yīng)力的衰減范圍進(jìn)行考慮的，即補(bǔ)強(qiáng)范圍取為(d為開孔直徑，δn為接管名義厚度)。

圖1 開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算模型

等面積補(bǔ)強(qiáng)法是以拉伸的開孔大平板為計(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)力以薄膜應(yīng)力為主，故該方法可適用。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，此時(shí)該方法不能適用。對于開孔邊緣的二次應(yīng)力的安定性問題，等面積補(bǔ)強(qiáng)法是通過限制開孔形狀和開孔范圍(開孔率)間接加以考慮的，使孔邊的局部應(yīng)力得到一定的控制。長期的使用經(jīng)驗(yàn)證明該方法在允許使用范圍內(nèi)，開孔邊緣的安定性能夠得到保障。等面積補(bǔ)強(qiáng)法對開孔邊緣的峰值應(yīng)力問題未加考慮，為此該方法不適用于疲勞容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)。［4］

2 參數(shù)分析

本計(jì)算的適用范圍應(yīng)滿足GB150中的等面積法的適用范圍，即適用于壓力作用下殼體和平封頭上的圓形、橢圓形或長圓形開孔。當(dāng)在殼體上開橢圓形或長圓形孔時(shí)，孔的長徑與短徑之比應(yīng)不大于2.0。適用范圍如下:

a.當(dāng)圓筒內(nèi)徑Di≤1500mm時(shí)，開孔最大直徑d≤Di/2，且d≤520mm;當(dāng)圓筒內(nèi)徑Di＞1500mm時(shí)，開孔最大直徑d≤Di/3，且d≤1000mm;

b.凸形封頭或球殼開孔的最大允許直徑d≤Di/2;

c.錐形封頭的最大直徑d≤Di/3，Di為開孔中心處的錐殼內(nèi)直徑。

橢圓形或長圓形開孔最大直徑d指長軸尺寸。本文就圓筒開錐形接管進(jìn)行分析計(jì)算。以某設(shè)備為例，設(shè)備要求如下:

筒體直徑3000mm，設(shè)計(jì)壓力3.0MPa，設(shè)計(jì)溫度200℃;介質(zhì)腐蝕裕量為0mm，焊接接頭系數(shù)取1.0;筒體材質(zhì)Q345R，設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力［σ］t=170 MPa;接管材質(zhì)16MnⅢ，設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力［σ］tt=150 MPa。

2.1 筒體壁厚

取筒體名義厚度:δn=30mm;

筒體厚度附加量:cs=0.3mm(取鋼板負(fù)偏差值);

筒體有效厚度:δe=29.7mm。

2.2 開孔直徑及壁厚

開孔直徑［5］142:為在殼體計(jì)算厚度中面上通過開孔中心沿各個所考慮的截面上測至接管內(nèi)壁的弦長，并加2倍接管厚度附加量的值?，F(xiàn)取開孔直徑d=400mm。

取接管名義厚度:δnt=50mm;

接管厚度附加量:Ct=0mm;

接管有效厚度:δet=50mm。

2.3 部分參數(shù)及符號

有效寬度:B=2d=800mm;

3 補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

對壓力容器筒體上錐形接管開孔不同結(jié)構(gòu)形式的補(bǔ)強(qiáng)分別按照等面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行計(jì)算。

3.1 “形式1”和“形式2”計(jì)算

“形式1”和“形式2”開孔結(jié)構(gòu)見圖2，可按照SW6進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

圖2 “形式1”和“形式2”開孔結(jié)構(gòu)

3.2 “形式3”計(jì)算

“形式3”開孔結(jié)構(gòu)見圖3。殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積:

殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積:

A1=(B-d)(δeφ1-Fδ)-2(δnt-Ct)(δe-Fδ)(1-fr)=1925.5mm2;

接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積:

焊縫金屬截面積:A3=δw2=100 mm2。

3.3 “形式4”計(jì)算

“形式 4”開孔結(jié)構(gòu)見圖 3。開孔直徑 d=400mm時(shí)，梯形上下邊長分別為390mm，409.5mm，因此實(shí)際計(jì)算的開孔直徑d＇=(390+409.5)/2=399.75mm。

殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積:

殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積:

接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積:

圖3 “形式3”和“形式4”開孔結(jié)構(gòu)

3.4 “形式5”計(jì)算

“形式 5”開孔結(jié)構(gòu)見圖4。開孔直徑 d=400mm時(shí)，梯形上下邊長分別為386mm，413mm，因此實(shí)際計(jì)算的開孔直徑 d＇=(386+413)/2=399.5mm;角度 α1=50°，角度 α2=10°。

殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積:

殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積:

接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積:

焊縫金屬截面積:A3=δw2=100 mm2。

圖4 “形式5”開孔結(jié)構(gòu)

4 結(jié)果對比分析

以上五種錐形接管開孔結(jié)構(gòu)形式補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果匯總見表1。

表1 五種開孔結(jié)構(gòu)形式補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果 單位mm2

比較表1中數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)，在開孔直徑相同、接管實(shí)際外伸高度大于或等于接管有效外伸高度的情況下，徑向圓筒形接管(形式1)的有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的補(bǔ)強(qiáng)面積和開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積的比值最小。非徑向錐形接管(形式5)隨著偏轉(zhuǎn)角度的增大而增大，同時(shí)也是比值最大的，因此是安全的。

5 結(jié)論與建議

通過手算法分別對壓力容器筒體上錐形接管五種開孔結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分析計(jì)算，得出了徑向圓筒形接管富裕量最小的對比分析。然而實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，在筒體壁厚、開孔直徑、接管(或錐形接管)壁厚等不確定的情況下進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，需要花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行試算。手算法固然能保證其正確性，但是從工程設(shè)計(jì)角度而言，由于項(xiàng)目進(jìn)度以及人工時(shí)成本的控制，必然要求簡化計(jì)算。因此，在參考上述對比分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，本著安全可靠的思想，可將錐形接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法進(jìn)行簡化。

針對按照GB150設(shè)計(jì)的常規(guī)壓力容器而言，在滿足GB150.3-2011中第6.1.1條等面積補(bǔ)強(qiáng)法的使用范圍的前提下(錐形接管開孔直徑按當(dāng)量設(shè)計(jì))，建議將錐形接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算轉(zhuǎn)化為按照開孔直徑相等的徑向圓筒形接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，然后再用軟件SW6進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。計(jì)算方法如下:

a.根據(jù)接管公稱直徑、壓力容器腐蝕裕量及錐形結(jié)構(gòu)形式畫圖，確定開孔直徑;

b.根據(jù)開孔直徑和預(yù)先給定的壁厚，采用SW6進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算;

c.如不能滿足要求，調(diào)整相應(yīng)參數(shù)(如:筒體壁厚、接管壁厚或增加補(bǔ)強(qiáng)圈等)，直至計(jì)算結(jié)果通過為止。

本文強(qiáng)調(diào)的是在滿足工程安全可靠前提下的等量轉(zhuǎn)換計(jì)算，對于超出等面積法使用范圍以及高壓容器等關(guān)鍵設(shè)備，建議建立模型進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。

［1］中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB150.1～150.4-2011壓力容器［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［2］壽比南.GB150-2011《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)釋義［M］.北京:新華出版社，2012.

［3］王磊.壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法比較［J］.石油化工設(shè)計(jì)，2002，19(2):17-19.

［4］楊福昌.殼體徑向平齊接管開孔補(bǔ)強(qiáng)之等面積法與盈利分析法［J］.石油化工設(shè)備，2013，42:22-25.

［5］中華人民共和國工業(yè)和信息化部.HG/T20580～20585-2011鋼制化工容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)規(guī)定［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2011.