趙國龍

（廣西合浦南方機(jī)械設(shè)備有限公司，廣西 北海536100）

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淺談壓力容器設(shè)計(jì)中常用三種開孔補(bǔ)強(qiáng)方法的區(qū)別

趙國龍

（廣西合浦南方機(jī)械設(shè)備有限公司，廣西 北海536100）

摘要：在壓力容器的設(shè)計(jì)中，對(duì)于殼體的開孔補(bǔ)強(qiáng)，常用的有等面積法、分析法和壓力面積法這三種方法，從每種方法的適用范圍與出處進(jìn)行比較區(qū)分，以明確各種方法的應(yīng)用場(chǎng)合及內(nèi)在的區(qū)別與聯(lián)系。

關(guān)鍵詞：等面積法；分析法；壓力面積法；適用范圍

壓力容器是承載一定壓力的密閉設(shè)備，具有一定的危險(xiǎn)性，如在設(shè)計(jì)階段分析計(jì)算不當(dāng)，就會(huì)埋下很大的安全隱患，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。壓力容器基本上都要有開孔接管，但開孔接管處不但破壞了容器結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，削弱了容器殼體的強(qiáng)度，而且會(huì)產(chǎn)生極大地應(yīng)力集中，成為疲勞破壞與脆性裂紋的根源。因此，壓力容器在設(shè)計(jì)制造中對(duì)開孔進(jìn)行合理的補(bǔ)強(qiáng)意義與重要性不言而喻。

本文主要從適用范圍以及基本原理與出處方面對(duì)等面積法、分析法以及壓力面積法進(jìn)行比較，找出每種方法在應(yīng)用場(chǎng)合方面的區(qū)別。由于絕大部分壓力容器都是內(nèi)壓容器，采用圓筒形殼體，橢圓形封頭，接管為圓形，所以本文僅討論采用圓筒形殼體橢圓形封頭的內(nèi)壓容器的圓形接管開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，并假定所用材料均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1　等面積補(bǔ)強(qiáng)法

等面積法的力學(xué)基礎(chǔ)，是無限大平板開小孔，雖然壓力容器的殼體開孔后的受力狀態(tài)并不完全等同于大平板開圓孔，但由于在小開孔率等特定情況下，不會(huì)有很大的偏差，且此方法計(jì)算過程較為方便，并通過長期的使用經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證其安全性，因此在工程中得到廣泛的應(yīng)用。

1.1單個(gè)開孔補(bǔ)強(qiáng)的等面積法

等面積法分為單個(gè)開孔補(bǔ)強(qiáng)的等面積法與多個(gè)開孔補(bǔ)強(qiáng)的等面積法，適用范圍應(yīng)符合GB150.3章節(jié)6.1.1的規(guī)定，具體條件如下：

（1）筒體內(nèi)徑D≤1500mm：開孔直徑d≤D/2，且不大于520 mm，筒體內(nèi)徑D＞1500 mm：開孔直徑d≤D/2，且不大于1000 mm；

（2）封頭開孔d≤D/2.其中D為筒體內(nèi)徑，d為開孔直徑。

單個(gè)開孔補(bǔ)強(qiáng)的等面積法還需滿足GB150.3-2011章節(jié)6.3.1關(guān)于單個(gè)開孔適用范圍的要求，即相鄰兩個(gè)開孔的中心距（以曲面弧長計(jì)算）不小于兩開孔直徑之和。如兩開孔中心距小于兩開孔直徑之和，應(yīng)選用聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)方法進(jìn)行計(jì)算。

1.2多個(gè)開孔補(bǔ)強(qiáng)的等面積法

當(dāng)殼體上有多個(gè)開孔，且符合以下條件時(shí)，應(yīng)采用聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)：

（1）兩個(gè)開孔：兩個(gè)相鄰開孔的中心距小于兩孔直徑之和，而使其補(bǔ)強(qiáng)范圍重疊。

（2）三個(gè)及以上開孔：若兩兩相鄰開孔中心距小于兩孔直徑之和且不小于其平均直徑的4/3，則兩孔之間的補(bǔ)強(qiáng)面積不小于兩孔所需總補(bǔ)強(qiáng)面積的50%；若任意兩孔中心距小于其平均直徑的4/3，則按c方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

（3）任何數(shù)量以任意方式排列的相鄰開孔，均可作為一個(gè)直徑包含所有開孔的假想孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，但此假想孔直徑不得超過單孔補(bǔ)強(qiáng)法的適用范圍，且所有接管金屬均不得用作補(bǔ)強(qiáng)。

（3）圓筒上一系列規(guī)則排列的開孔，其每個(gè)開孔又無法進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，應(yīng)采用GB150.2-2011章節(jié)6.4.2排孔的補(bǔ)強(qiáng)要求進(jìn)行計(jì)算。

2　分析法

分析法是GB150-2011新增加的計(jì)算方法，該方法的理論基礎(chǔ)是清華大學(xué)研究組經(jīng)過20多年研究而提出的，適用于圓柱殼大開孔接管的薄殼理論解，解的結(jié)果得到了前人許多實(shí)驗(yàn)結(jié)果與精細(xì)網(wǎng)格三維有限元解的驗(yàn)證，并得到國際同行的認(rèn)可和贊賞。

使用分析法開孔率d/D最大可達(dá)0.9，但僅適用于內(nèi)壓作用下具有徑向接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，即僅適用于筒體徑向開孔，不適用于筒體非徑開孔向與封頭開孔。

根據(jù)GB150.3章節(jié)6.1.2的規(guī)定，分析法適用范圍如下：

d≤0.9D且max［0.5，d/D］≤δet≤δe≤2

其中：D為筒體內(nèi)徑，d為開孔直徑，δet為接管有效厚度，δe為筒體有效厚度。

3　壓力面積法

HG/T 20582-2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》中第七章“大開孔的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算”提出了一種壓力面積法，借鑒的是歐盟EN13445-3:2002標(biāo)準(zhǔn)的壓力面積法，是從原德國AD規(guī)范中的壓力面積法的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，并也為美國ASME所接受。HG/T 20582-2011在引用時(shí)根據(jù)我國國情相應(yīng)加大了安全裕度，使用更加安全。

當(dāng)壓力容器中的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算范圍超出GB150的范圍時(shí)，可考慮采用本方法進(jìn)行分析計(jì)算，但需滿足以下條件：

（1）沒有或不考慮接管補(bǔ)強(qiáng)，而只考慮筒體增厚補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，d/D≤0.5；

（2）采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，d/D≤0.5；

（3）采用接管補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，di/D≤1.0，di為接管內(nèi)徑。

（4）凸形封頭開孔：

1）有接管補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，接管內(nèi)徑di與筒體外徑Do之比Do/di≤0.6；

2）采用凸緣環(huán)補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，凸緣環(huán)的內(nèi)徑di與筒體外徑Do之比Do/di≤0.6.

4　結(jié)束語

（1）當(dāng)開孔率不大于0.5時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮能否采用等面積法進(jìn)行分析計(jì)算，等面積法是壓力容器設(shè)計(jì)中計(jì)算簡便、得到長期使用驗(yàn)證、安全裕度較大的的計(jì)算方法。但當(dāng)開孔率大于1/2時(shí)，運(yùn)用等面積法計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大偏差，不適用于大開孔的場(chǎng)合。

（2）當(dāng)開孔率大于0.5時(shí)，則優(yōu)先考慮新版GB150新提出的分析法，運(yùn)用該方法的開孔直徑與筒體內(nèi)徑之比d/D可達(dá)0.9，且在大開孔的情況下，分析法的安全裕度是足夠的。

（3）實(shí)際上，壓力面積法與等面積法的基本原理是一致的，都是基于以開孔有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的金屬面積承載能力與內(nèi)壓力載荷相平衡的靜力平衡法。只是補(bǔ)強(qiáng)的范圍兩者有所不同，等面積法的補(bǔ)強(qiáng)范圍不論開孔大小都在開孔2倍的區(qū)域內(nèi)，因此隨著開孔率的增大，計(jì)算誤差也隨之增大。而壓力面積法的補(bǔ)強(qiáng)范圍與開孔直徑有關(guān)，其補(bǔ)強(qiáng)范圍也與開孔應(yīng)力衰減的范圍相一致，因此分析比較合理，適用于大開孔的場(chǎng)合。

（4）雖然壓力面積法可用于大開孔的分析計(jì)算，但開孔率較小時(shí)，按照壓力面積法計(jì)算偏于保守，而開孔率較大時(shí)，按照壓力面積法計(jì)算得到的補(bǔ)強(qiáng)又不能滿足結(jié)構(gòu)安定性的要求。且GB150并未收入該方法，HG/T20582中也提到本方法適用于超出GB150計(jì)算范圍的開孔，意為優(yōu)先考慮GB150所列的方法，所以壓力面積法應(yīng)放最后考慮。例如，封頭上的大開孔GB150并未給出相應(yīng)的分析計(jì)算方法，則可考慮按照壓力面積法進(jìn)行分析計(jì)算。

參考文獻(xiàn)：

［1］GB150-2011，壓力容器［S］.

［2］GB150-2011，《壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)釋義［S］.

［3］HG/T 20582-2011，鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定［S］.

Disscusion on The Difference Between The Three Opening Reinforcement Methods in The Pressure Vessel's Design

ZHAO Guo-long
（Southern Hepu Machinery Equipment Co.，Ltd.，Beihai，Beihai Guangxi 536100，China）

Abstract：In the design of pressure vessel，the shell opening reinforcement，commonly used have equal area method，analysis method and pressure area method of these three methods，this article from the scope of application of each method comparing with reference to distinguish，in order to make clear the applications of various methods and inner differences and relations.

Key words：equal area method；analysis method；pressure area method；scope of application

中圖分類號(hào)：TG441.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-545X（2016）03-0221-02

收稿日期：2015-12-03

作者簡介：趙國龍（1987-），男，廣西人，工科學(xué)士，助理工程師，研究方向?yàn)閴毫θ萜髟O(shè)計(jì)。