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        壓力容器壓力面積法與分析法大開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)比較

        2014-05-29 01:59:30楊心理
        化工機(jī)械 2014年2期
        關(guān)鍵詞:筒節(jié)人孔筒體

        張 濤 李 娟 楊心理

        (1.大慶石化工程有限公司;2.大慶油田化工集團(tuán)東昊公司油氣處理分公司)

        符號說明

        Afp——接管上開孔區(qū)有效承壓金屬面積,mm2;

        Afs——?dú)んw上開孔區(qū)有效承壓金屬面積,mm2;

        Afw——補(bǔ)強(qiáng)連接處凸出殼體表面的焊接接頭金屬面積,mm2;

        Apb——補(bǔ)強(qiáng)有效范圍內(nèi)接管內(nèi)的壓力面積,mm2;

        Aps——補(bǔ)強(qiáng)有效范圍內(nèi)殼體內(nèi)的壓力面積,mm2;

        D——圓筒中面直徑,mm;

        Di——?dú)んw內(nèi)徑,mm;

        di——開孔處的接管內(nèi)徑,mm;

        K——等效總應(yīng)力集中系數(shù);

        Km——等效薄膜應(yīng)力集中系數(shù);

        nⅡ——等效薄膜應(yīng)力校核系數(shù);

        nⅣ——等效總應(yīng)力校核系數(shù);

        p——設(shè)計(jì)壓力,MPa;

        SⅡ——等效薄膜應(yīng)力,MPa;

        SⅣ——等效總應(yīng)力,MPa;

        δe——?dú)んw開孔處的有效厚度,mm;

        ρ——開孔率;

        [σ]b——接管材料許用應(yīng)力,MPa;

        [σ]p——補(bǔ)強(qiáng)圈材料許用應(yīng)力,MPa;

        [σ]s——?dú)んw材料許用應(yīng)力,MPa;

        [σ]t——設(shè)計(jì)溫度下殼體材料的許用應(yīng)力,MPa。

        壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)分析法是GB 150.3-2011《壓力容器第3部分:設(shè)計(jì)》中的新增內(nèi)容[1],它是我國力學(xué)研究者多年的研究結(jié)果,指出開孔率ρ≤0.9;按HG/T 20582-2011規(guī)定的壓力面積法,圓筒殼體上采用接管補(bǔ)強(qiáng)的開孔,其開孔處的內(nèi)徑di與殼體內(nèi)徑Di之比di/Di≤1.0[2]。這兩種補(bǔ)強(qiáng)方法均極大地拓展了開孔補(bǔ)強(qiáng)的適用范圍,方便了設(shè)計(jì)者計(jì)算,但兩者也有許多不同點(diǎn)。筆者將結(jié)合實(shí)例,對該兩種補(bǔ)強(qiáng)方法進(jìn)行比較。

        1 容器設(shè)計(jì)參數(shù)

        某裝置有一立式容器,內(nèi)徑1 300mm,筒體長度4 150mm,設(shè)計(jì)壓力2.16MPa,設(shè)計(jì)溫度240℃,殼體材料為Q345R,腐蝕裕量為3mm。筒體上有一DN600mm的人孔,人孔筒節(jié)材料為Q345R。按GB 150-2011計(jì)算,筒體名義厚度取14mm,人孔開孔最大直徑已超出了等面積法的適用范圍,但符合壓力面積法和分析法的適用條件。

        2 壓力容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)方法

        2.1 壓力面積法

        按壓力面積法,人孔筒節(jié)為φ630mm×16mm[3],加補(bǔ)強(qiáng)圈φ840mm×14mm,對于接管和補(bǔ)強(qiáng)圈應(yīng)滿足:

        (Afs+Afw)([σ]s-0.5p)+Afp([σ]p-0.5p)+

        Afp([σ]b-0.5p)≥p(Aps+Apb)

        (1)

        經(jīng)計(jì)算:

        (Afs+Afw)([σ]s-0.5p)+Afp([σ]p-0.5p)+

        Afp([σ]b-0.5p)=1404862N

        p(Aps+Apb)=1365934N

        可知,接管和補(bǔ)強(qiáng)圈滿足式(1)的要求,并且補(bǔ)強(qiáng)面積裕量為:

        2.2 分析法

        經(jīng)計(jì)算,人孔筒節(jié)需改為φ648mm×24mm,筒節(jié)長度至少為130mm,且開孔處筒體局部需將名義厚度改為18mm,需加厚的筒體長度至少為960mm。

        2.2.1等效薄膜應(yīng)力的計(jì)算

        等效薄膜應(yīng)力的計(jì)算式為:

        (2)

        SⅡ≤nⅡ[σ]t

        (3)

        等效薄膜應(yīng)力許用值nⅡ[σ]t=351.12MPa,故計(jì)算合格。

        設(shè)計(jì)裕量為:

        2.2.2等效總應(yīng)力的計(jì)算

        等效總應(yīng)力計(jì)算式為:

        (4)

        SⅣ≤nⅣ[σ]t

        (5)

        等效總應(yīng)力許用值nⅣ[σ]t=414.96MPa,故計(jì)算合格。

        設(shè)計(jì)裕量為:

        3 兩種補(bǔ)強(qiáng)方法的對比

        從以上計(jì)算可以看出,在兩種補(bǔ)強(qiáng)方法裕量相差不大的情況下,用壓力面積法僅需加補(bǔ)強(qiáng)圈,補(bǔ)強(qiáng)圈質(zhì)量為47kg;用分析法補(bǔ)強(qiáng)時(shí),需同時(shí)加厚人孔筒節(jié)與設(shè)備筒體,加厚部分質(zhì)量約為140kg。

        同時(shí),兩種補(bǔ)強(qiáng)方法均對制造提出了一些特殊要求,例如:接管或補(bǔ)強(qiáng)件與殼體應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu);接管與殼體連接內(nèi)外壁應(yīng)圓滑過渡;補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的A、B類焊接接頭應(yīng)無損檢測合格;接管有效厚度與殼體有效厚度之比有限制;接管、殼體、補(bǔ)強(qiáng)件材料屈強(qiáng)比不應(yīng)太高(壓力面積法屈強(qiáng)比不大于0.68,分析法屈強(qiáng)比不大于0.80)。

        兩種補(bǔ)強(qiáng)方法的不同之處在于,壓力面積法明確地提出應(yīng)避免采用標(biāo)準(zhǔn)常溫抗拉強(qiáng)度下限值大于540MPa的材料,如若采用,需在設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)等方面作特殊考慮。另外,壓力面積法按HG/T 20582-2011規(guī)定限制較多。

        4 結(jié)束語

        介紹了壓力面積法和分析法計(jì)算開孔補(bǔ)強(qiáng)的過程,并對兩種補(bǔ)強(qiáng)方法進(jìn)行了比較。在計(jì)算中還應(yīng)注意兩點(diǎn):開孔補(bǔ)強(qiáng)的分析法列入GB 150后,在等面積法不適用、但壓力面積法和分析法均適用的大開孔情況下,設(shè)計(jì)者將優(yōu)先使用分析法;用分析法時(shí),筒體和接管厚度應(yīng)做合理調(diào)整,并對制造和無損檢測提出要求。

        [1] GB 150.1~150.4-2011,壓力容器[S].北京:國家質(zhì)檢出版社,2011.

        [2] HG/T 20582-2011,鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定[S].北京:中華人民共和國工業(yè)和信息化部,2011.

        [3] HG/T 20514~21535-2005, 鋼制人孔和手孔[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2009.

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