周 銘 徐莉萍

（液化空氣（杭州）有限公司)

圓柱殼開孔接管結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓作用下，由于主殼和支管連接處結(jié)構(gòu)的幾何不連續(xù)，在相貫線區(qū)域會產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中，尤其是開孔率較大的接管，所以尋求各種合理的設(shè)計方法，保證該部位的安全運行非常重要。本文對圓筒徑向接管的開孔補強設(shè)計分析法[1]（以下簡稱 “開孔補強分析法”）與焊制三通計算法[2]進行了分析比較。

1 計算方法的介紹

開孔補強分析法：這是GB 150—2011《壓力容器》中新增的方法，該方法是根據(jù)我國自主研發(fā)的薄殼理論解得的。該方法在應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上提供了一種既便于應(yīng)用、適用范圍更廣又具有必要精度的解析設(shè)計方法。它通過求解出等效的薄膜應(yīng)力和總應(yīng)力集中系數(shù)，采用第一強度理論周向薄膜應(yīng)力的計算方法和公式，分別計算出開孔處的等效薄膜應(yīng)力和等效總應(yīng)力，并分別進行應(yīng)力評定。其求解的精度與適用范圍得到了精細(xì)網(wǎng)格的三維有限元解的成功驗證。

焊制三通計算法：焊制三通在化工設(shè)備、化工管道以及鍋爐蒸汽系統(tǒng)中應(yīng)用相當(dāng)普遍， 其實質(zhì)也是一種開孔結(jié)構(gòu)，開孔率一般也比較大。GB/T 9222—2008《水管鍋爐受壓元件強度計算》[3]中對焊制三通的計算思路和開孔補強分析法相似，它是在大量的試驗研究和有限元分析計算的基礎(chǔ)上，得到計算強度減弱系數(shù)的解析式，將其代入第一強度理論周向薄膜應(yīng)力的計算公式中，分別得到主管和支管的計算厚度。這種計算方法也被錄入到HG/T 20582—2011《鋼制化工容器強度計算規(guī)定》中，同樣也能采用SW6軟件計算。

兩種計算方法的適用范圍如表1所示。

表1 兩種計算方法比較

綜上所述， 這兩種計算方法均適用于大開孔，其設(shè)計方法都不是面積補強法，兩者本質(zhì)上都是通過試驗和有限元分析找到開孔處的應(yīng)力集中系數(shù)或強度減弱系數(shù)的計算公式，進而計算出開孔處局部應(yīng)力，再進行應(yīng)力評定；但開孔補強分析法基于塑性極限和安定性準(zhǔn)則，分別計算出薄膜應(yīng)力和整體應(yīng)力，而焊制三通計算法采用的是彈性理論，沒有對應(yīng)力分類。

2 實例分析

圖1 某圓筒徑向接管結(jié)構(gòu)

對同時滿足兩種計算方法適用范圍的開孔結(jié)構(gòu)，計算比較如下。圖1所示為某圓筒徑向接管結(jié)構(gòu)，設(shè)計壓力為3.5 MPa，設(shè)計溫度100℃，腐蝕余量2.0 mm。筒體外徑660 mm，筒體壁厚16 mm， 材質(zhì)為 Q245R； 接管尺寸為 ?406 mm×12 mm，材質(zhì)Q245R，接管外伸長462 mm。開孔率ρ=d/D=0.613， di/Di=0.61≥0.5， β=Do/Di=1.051， 符合兩種方法的適用條件?，F(xiàn)分別以開孔補強分析法和焊制三通計算法進行計算。

（1）開孔補強分析法。設(shè)計溫度下材料許用應(yīng)力 [σ]t=147 MPa， 材料厚度負(fù)偏差C1t、C1為 0.3 mm。計算結(jié)果如表2所示。采用開孔補強分析法，該接管的開孔補強不滿足要求。

表2 開孔補強分析法計算結(jié)果

（2）焊制三通計算法。采用焊制三通計算法的計算結(jié)果如表3所示。該開孔補強滿足要求。

按同樣計算方法計算不同開孔組合，結(jié)果如表4所示。

3 結(jié)論

焊制三通較多用于化工管道。焊制三通管道的載荷可能比壓力容器開孔復(fù)雜。焊制三通也有可能在現(xiàn)場施焊制作，與壓力容器上的開孔相比，存在著制造質(zhì)量更不穩(wěn)定、操作條件更復(fù)雜的情況。

由以上計算比較可知：對于同時滿足兩種計算方法適用范圍的開孔結(jié)構(gòu)，采用焊制三通計算法更容易通過，而采用開孔補強分析法更偏安全。理論上焊制三通計算法不像分析法那樣需要對應(yīng)力進行分類計算和評定。

表3 焊制三通計算法計算結(jié)果

表4 不同開孔組合時兩種計算方法的結(jié)果

鑒于以上所述，無論是理論計算還是制造要求，開孔補強分析計算法更全面周到。在應(yīng)用焊制三通計算法進行管道三通設(shè)計時，對計算結(jié)果應(yīng)給出更多的計算裕量，建議取計算裕量為7%以上。

[1] GB 150.1～150.4—2011壓力容器 [S].

[2] HG/T 20582—2011鋼制化工容器強度計算規(guī)定 [S].

[3] GB/T 9222—2008水管鍋爐受壓元件強度計算 [S].