薛愛(ài)芳 雷威躍 王笑真

(1.三門峽化工機(jī)械有限公司；2.洛陽(yáng)綠景環(huán)保科技有限公司)

化工設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，為滿足介質(zhì)的進(jìn)出或安裝檢修的要求，需要在殼體上開孔，這將造成器壁強(qiáng)度削弱，產(chǎn)生應(yīng)力集中，幾乎在每臺(tái)設(shè)備的計(jì)算中都會(huì)出現(xiàn)開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。圓筒體上接管的方向有3種：徑向、斜向、切向，斜向和切向接管會(huì)在筒體上產(chǎn)生非圓形開孔。在各種補(bǔ)強(qiáng)法中最常見(jiàn)、使用頻率最高的是等面積法。等面積補(bǔ)強(qiáng)法以補(bǔ)償開孔局部的拉伸強(qiáng)度為補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則[1]，其理論依據(jù)是無(wú)限大平板上開小圓孔的孔邊應(yīng)力分析作為依據(jù)，未涉及開孔邊緣的應(yīng)力集中問(wèn)題，僅就開孔截面的邊緣應(yīng)力進(jìn)行考慮，開孔區(qū)局部高應(yīng)力的安定問(wèn)題是通過(guò)限制開孔形狀、長(zhǎng)短徑之比和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[2]，所以，當(dāng)在殼體上開橢圓形或長(zhǎng)圓形孔時(shí)，孔的長(zhǎng)徑與短徑之比應(yīng)不大于2[3]。

1 工程實(shí)例

某設(shè)備公稱直徑1 800mm，殼體厚度10mm，筒體上設(shè)置距設(shè)備中心670mm的切向接管，規(guī)格φ480mm×10mm，材料為Q345R，加φ1 200mm×14mm的補(bǔ)強(qiáng)圈。該設(shè)備在2008年曾經(jīng)設(shè)計(jì)并經(jīng)強(qiáng)度計(jì)算合格， 2009年實(shí)施《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程容規(guī)》[4]，2011年發(fā)布GB 150.1～GB 150.4-2011[3]，在2012年重新復(fù)用設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果與原結(jié)果不同。設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

設(shè)計(jì)壓力 1.6MPa

設(shè)計(jì)溫度 100℃

主要受壓元件材料 Q345R

腐蝕裕量 0mm

接頭系數(shù) 1

2 計(jì)算過(guò)程

同一設(shè)備設(shè)計(jì)了兩次，分別按GB 150的新、舊版本為計(jì)算依據(jù)。2008年計(jì)算時(shí)使用的文獻(xiàn)[5]中規(guī)定“殼體上的開孔應(yīng)為圓形、橢圓形或長(zhǎng)圓形。當(dāng)在殼體上開橢圓形(或類似形狀)或長(zhǎng)圓形孔時(shí)，孔的長(zhǎng)徑與短徑之比應(yīng)不大于2.0”，但沒(méi)有對(duì)如何選取開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算截面作出規(guī)定，工程設(shè)計(jì)人員只有依照文獻(xiàn)[5]中圖 8-1，理解為等面積補(bǔ)強(qiáng)法不能用于殼體的非徑向接管的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，此時(shí)非徑向接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算應(yīng)按照文獻(xiàn)[6]中“非徑向接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算”，選取了0、90°兩個(gè)截面進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算；2012年計(jì)算時(shí)，文獻(xiàn)[5]中6.3.3.1條明確了非徑向接管開孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí)計(jì)算截面的選取方法“……，對(duì)于圓筒或錐殼開孔，該截面通過(guò)開孔中心點(diǎn)與筒體軸線；……。”，所以在計(jì)算非徑向開孔時(shí)選用文獻(xiàn)[3]中的等面積補(bǔ)強(qiáng)法計(jì)算，上述兩種計(jì)算過(guò)程分別如下。

按文獻(xiàn)[6]中的非徑向接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算：

當(dāng)與圓筒軸線截面相交(90°)時(shí)，應(yīng)力校正系數(shù)F=0.5，則：

A=dδF+2δ(δnt-C1)F(1-fr)=3 872.5mm2

A1=(B-d)(δeφ1-Fδ)-2(δnt-Ct)(δeφ1-Fδ)×

(1-fr)=5227.5mm2(取B=1820mm)

A3=5×5=25mm2

A1+A2+A3>A，所以，對(duì)于和圓筒軸線相交90°截面，不需要另行補(bǔ)強(qiáng)。

當(dāng)與圓筒軸線截面平行(0°)時(shí)，應(yīng)力校正系數(shù)F=1.0，則：

A=dδF+2δ(δnt-C1)F(1-fr)=3915.1mm2

A1=(B-d)(δeφ1-Fδ)-2(δnt-Ct)(δeφ1-Fδ)×

(1-fr)=685.0mm2(取B=920mm)

A2=2h1(δnt-Ct-δt)fr+2h2(δnt-Ct-C2t)fr=1061.4mm2

A3=5×5=25mm2

A1+A2+A3A，補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算合格。

按文獻(xiàn)[3]中的等面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行計(jì)算：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=3520mm2

A1=(B-dop)(δe-δ)-2δet(δe-δ)(1-fr)

=1080.0mm2

A2=2h1(δet-δt)fr+2h2(δet-C2t)fr=1091mm2

A3=6×6=36mm2

A1+A2+A3A，補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算合格。

3 計(jì)算結(jié)果分析

兩次計(jì)算所選取截面數(shù)量不同，但都包括垂直設(shè)備軸線的計(jì)算截面，使用的補(bǔ)強(qiáng)方法都是等面積法，計(jì)算結(jié)果卻有所不同，原因是在2008年的計(jì)算中，[δ]t取170MPa，而文獻(xiàn)[4]于2009年實(shí)施后，在2012年的計(jì)算中[δ]t取198MPa。若在2012年的計(jì)算中仍取[δ]t=170MPa，則其計(jì)算結(jié)果與2008年的計(jì)算中平行于圓筒軸線截面時(shí)的結(jié)果完全相同。

圖1 設(shè)備開孔示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)比較兩種計(jì)算方法發(fā)現(xiàn)，工程設(shè)計(jì)中在進(jìn)行非徑向接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)，需將非徑向接管和殼體相交而構(gòu)成的開孔作為長(zhǎng)圓孔考慮并限制其長(zhǎng)徑比不大于2，補(bǔ)強(qiáng)數(shù)據(jù)按徑向接管時(shí)的數(shù)據(jù)輸入，補(bǔ)強(qiáng)圈需要放樣、下料，并保證其單邊有效寬度不得小于接管徑向時(shí)補(bǔ)強(qiáng)圈的單邊寬度，補(bǔ)強(qiáng)圈外徑按正圓計(jì)算時(shí)，需保證開孔長(zhǎng)徑方向處的單邊寬度來(lái)下料。

[1] [日]野原石松著，黃震堯，王允昌，鄭錄，等譯.壓力容器[M].蘭州：蘭州石油機(jī)械研究所，1979.

[2] 李世玉.壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程[M].北京：新華出版社，2005.

[3] GB 150.1～GB 150.4-2011，壓力容器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[4] TSG R0004-2009，固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].北京：新華出版社，2009.

[5] GB 150-1998，鋼制壓力容器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

[6] HG 20582-1998，鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1998.

[7] JB/T 4736-2002，補(bǔ)強(qiáng)圈[S].昆明：云南科技出版社，2002.