郭 凱 李大偉 郭 奇

(燕山大學環(huán)境與化學工程學院)

GB150-2011與ASMEⅧ-12013等面積補強法的對比與原理分析

郭 凱*李大偉 郭 奇

(燕山大學環(huán)境與化學工程學院)

對GB 150-2011和ASME Ⅷ-1 2013的等面積補強法進行了差異分析。通過有限元分析法，從開孔直徑限制和開孔豁免補強兩方面分析了兩種標準的區(qū)別和原理。給出了兩種標準在具體計算時的差別與要求。提出一種實際中借鑒ASME Ⅷ-1 2013相關(guān)規(guī)定的壓力容器設(shè)計方法。

壓力容器 ASME Ⅷ-1 2013 GB 150-2011 開孔補強 有限元分析

符 號 說 明

A——開孔削弱所需要的補強截面積，mm2；

A1——殼體有效厚度減去計算厚度之外的有效補強面積，mm2；

A2——接管壁多余厚度的有效補強面積，mm2；

A3——接管內(nèi)伸到容器壁以內(nèi)時的有效補強面積，mm2；

A4——接管焊縫有效補強面積，mm2；

A5——外加補強材料作為補強的截面積，mm2；

d——開孔直徑，mm；

d1、d2——相鄰兩開孔的直徑，mm；

fr——強度削弱系數(shù)，接管材料與筒體或封頭材料許用應力的比值，fr≤1；

K——載荷組合系數(shù)，一般為1.00～1.25；

Sa——交變應力幅，MPa；

Sm——設(shè)計應力強度，MPa；

t——ASME Ⅷ-1 2013中容器壁的有效厚度，mm；

te——ASME Ⅷ-1 2013中補強元件的厚度或高度，mm；

tn——ASME Ⅷ-1 2013中接管壁的有效厚度，mm；

tr——ASME Ⅷ-1 2013中E=1時的殼體或封頭計算厚度，mm；

θ——開孔中心連線與殼體縱軸間的夾角，(°)；

δ——殼體或封頭的計算厚度，mm；

δe——殼體或封頭的有效厚度，mm；

δn——殼體或封頭名義厚度，mm。

隨著我國化工設(shè)備制造能力的不斷提升，許多大型化工設(shè)備制造廠的產(chǎn)品(主要依據(jù)ASME相關(guān)標準制造)出口到國外。作為建立并完善數(shù)十年的權(quán)威標準，ASME系列標準在機械領(lǐng)域中得到了世界上大多數(shù)國家的認可。其中ASME Ⅷ-1 2013是壓力容器領(lǐng)域中最早、最全面、最完善的國際性規(guī)范。GB 150-2011是我國最新修訂的權(quán)威壓力容器標準，雖然與ASME Ⅷ-1 2013相比存在許多不足之處，但是與我國的生產(chǎn)和制造水平更加相適應[1,2]。

隨著壓力容器制造技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展，建造標準也在不斷更新，導致壓力容器設(shè)計過程中出現(xiàn)許多新的技術(shù)問題。而壓力容器的開孔補強問題是壓力容器設(shè)計和校核中較為常見的一類問題。GB 150-2011和ASME Ⅷ-1 2013中，主要采用等面積方法對壓力容器的補強進行計算，但是兩種標準在開孔補強的計算和規(guī)定上有一定的差別[3]。為此，我國許多工程技術(shù)人員對該問題進行了研究，王立對GB 150-2011與ASME Ⅷ-1 2013中等面積的相關(guān)規(guī)定進行了對比[4]；薛明德等對GB 150-2011的計算方法和一些規(guī)定給出了說明和解釋[5]；夏致云對比了GB 150-2011和ASME Ⅷ-1 2013開孔補強的基本計算方法[6]；王嬌琴對比了ASME Ⅷ-1 2013和GB 150-2011，并提出以GB 150-2011為主、行業(yè)標準HG 20582-1998和HG 20583-1998為參考的壓力容器設(shè)計方法[7]。但是這些研究僅限于計算方法和規(guī)定的差別分析，并沒有針對區(qū)別進行原理分析，而且對借鑒ASME Ⅷ-1 2013和處理具體問題的方法也沒有給出說明。為此，筆者通過對ASME Ⅷ-1 2013和GB 150-2011進行差異分析，將差別歸類，給出原理分析并通過有限元分析法給出解釋，最終借鑒ASME Ⅷ-1 2013相關(guān)經(jīng)驗提出可行的壓力容器設(shè)計方法，保證設(shè)備的安全性。

1 兩種標準中等面積補強法的主要區(qū)別

壓力容器開孔后，器壁承載面被削弱，引起局部應力的增加和容器承載能力的減弱。器壁開孔和接管破壞了接管原有結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，從而產(chǎn)生較大的彎曲應力。而ASME Ⅷ-1 2013和GB 150-2011都以無限大平板開小孔的孔邊應力分析為理論基礎(chǔ)，但實際上壓力容器開孔面并不是平面，具有一定的曲率[8]。同時，接管尺寸和材料也會造成結(jié)構(gòu)應力集中的情況。所以，在壓力容器開孔補強時需要考慮溫度、壓力、容器和接管材料、開孔尺寸及附近焊縫位置等條件，并在計算過程中對不同情況給出設(shè)計說明。GB 150-2011和ASME Ⅷ-1 2013的開孔補強結(jié)構(gòu)詳見參考文獻[1，2]。在壓力容器開孔補強設(shè)計中，等面積補強法都是A≤A1+A2+A3+A4+A5，主要的計算方法也是相同的。具體區(qū)別體現(xiàn)在：開孔直徑的限制、豁免補強條件、計算中參數(shù)的確定和接管與焊縫的具體要求。

2 開孔直徑限制與開孔豁免補強的判別原理分析

2.1開孔直徑限制

基于相同的補強原理，ASME Ⅷ-1 2013和GB 150-2011對于開孔直徑的要求基本相同，具體參數(shù)見表1。但是在GB 150-2011的適用開孔范圍中，內(nèi)徑Di≤1500mm時開孔最大直徑上限與Di>1500mm時開孔最大直徑下限存在矛盾。這是由于GB 150早期版本參照ASME英制換算圓整，而新版本沒有做出改變依然沿用GB 150-1998的數(shù)據(jù)造成的。但是由于GB 150-2011已正式實施，而目前的勘誤表中并沒有給出相關(guān)解釋，因此有必要在開孔直徑為520mm時進行安全性分析；而ASME Ⅷ-1 2013則沒有出現(xiàn)自相矛盾的問題。

表1 開孔尺寸限制對照表

針對上述問題，筆者使用有限元分析法對最危險的模型進行應力分析。選取開孔最大(Di=1040mm)的筒體進行開孔補強分析，選擇最大開孔直徑為520mm，由于開孔直徑較大，選擇卷焊筒體作為接管。首先對520mm開孔模型進行建模，模型為旋轉(zhuǎn)薄殼和薄壁管道的組合，由于本實驗主要對整體進行分析，因此采用整體建模的方式[9]。劃分網(wǎng)格時需要考慮管壁厚度的影響，所以劃分單元需要在一定程度上小于壁厚才能保證得到合理的應力分布圖。在實驗過程中，為了減少運算量，保證模型內(nèi)部接觸部分網(wǎng)格的過渡，宜采用自動劃分。由于建模中選用部分筒體進行建模，因此筒體部分邊緣要施加適當?shù)募s束和載荷，以保證模擬的準確性。GB 150-2011基于旋轉(zhuǎn)薄殼理論，即在沒有開孔補強的條件下應力是沿著壁厚均勻分布的，因此徑向的應力可轉(zhuǎn)化成分布于面的均布載荷，對模型內(nèi)表面施加均勻的壓力載荷[10]。設(shè)計壓力為1.6MPa時的開孔模型應力強度和當量Mises應力分布結(jié)果如圖1所示。在線性化時在最大應力節(jié)點沿管壁厚度方向做路徑，得到的應力分析結(jié)果見表2。

圖1 設(shè)計壓力為1.6MPa時的開孔模型應力分布

項目設(shè)計壓力/MPa0.61.01.65.010.0判據(jù)值薄膜應力/MPa85.6757.0584.69174.85291.65不大于1.5KSm薄膜應力+彎曲應力/MPa80.31145.56184.49314.85472.80不大于3.0Sm峰值應力/MPa271.00265.75265.28183.10258.53不大于1.5KSm最大當量Mises應力/MPa269.10360.70404.52475.88687.17不大于Sa最大應力強度/MPa375.90262.30406.29476.23691.01不大于Sa補強圈厚度/mm2461632不大于1.5δn

由表2可知，在設(shè)計壓力較小時，峰值應力較大。隨著設(shè)計壓力的增大峰值應力變化不大，薄膜應力+彎曲應力不斷增大。設(shè)計壓力為5.0MPa時，補強圈厚度已經(jīng)接近筒體厚度。而且通過應力分析可以看出，設(shè)計壓力較大時，已經(jīng)不符合安定性分析準則要求。因此在直徑1 500mm以下的開孔中，有超過500mm的開孔時最好根據(jù)JB 4732-1995的要求進行分析設(shè)計和校核[11]。

2.2開孔豁免補強

GB 150-2011中不需補強計算的開孔限制條件較多，且規(guī)定不另行補強的開孔不能位于A、B類焊縫上，設(shè)計壓力不大于2.5MPa。而在ASME Ⅷ-1 2013中則規(guī)定了對于壓力無急劇波動的容器上的開孔，規(guī)定不需補強計算的開孔雖不能開在A類接頭上，但允許開在B類或C類對接接頭上，且在補強計算中引入了焊接接頭系數(shù)E1。ASME Ⅷ-1 2013分別給出了圓筒形殼體或錐殼和由兩個曲面組成的殼體和成型封頭或平封頭的最大中心距L的計算方法：

L筒體≥(1+1.5cosθ)×(d1+d2)

L封頭≥2.5(d1+d2)

顯然，ASME Ⅷ-1 2013系統(tǒng)地對豁免情況進行了規(guī)定與說明[12]，因此筆者不再贅述。

3 兩種標準中具體計算的差別

3.1兩種標準中計算補強面積時的差別

GB 150-2011在計算開孔所需補強面積上雖總體上參照ASME Ⅷ-1 2013，但也有諸多不同，主要有以下3點。

第一，計算所需補強面積A時，GB 150-2011未引入ASME Ⅷ-1 2013中的應力校正系數(shù)F，因此當遇到圓筒上的非圓形斜開孔和圓筒或錐殼上的多個開孔時無法進行計算。對比所需補強的金屬面積計算公式，在GB 150-2011中開孔處筒體厚度δ考慮了焊接接頭系數(shù)所以計算的面積較大，比ASME Ⅷ-1 2013保守。實際上，這部分金屬面積如果沒有通過焊縫就不需要增加由焊縫造成的結(jié)構(gòu)削弱，因此ASME Ⅷ-1 2013的規(guī)定更為合理，對材料的利用更為充分。GB 150-2011和ASME Ⅷ-1 2013中的補強面積計算式分別為：

A=dδ+2δδe(1-fr)

A=dtrF+2ttrF(1-fr)

第二，GB 150-2011在計算殼體有效厚度減去計算厚度之外的有效補強面積時沒有引入接頭焊縫系數(shù)，對于通過或鄰近開孔的A、B類焊縫需要保證其焊縫在一定范圍內(nèi)沒有超標缺陷存在。ASME Ⅷ-1 2013引入了焊接接頭系數(shù)E1，可對開孔經(jīng)過焊縫時進行計算。

3.2接管和焊縫的具體要求

GB 150-2011只要求接管壁厚滿足壓力作用即可，沒有像ASME Ⅷ-1 2013一樣對附加應力進行考慮。GB 150-2011只列出了接管與筒體典型的焊接結(jié)構(gòu)，而ASME Ⅷ-1 2013還要求對連接焊縫進行強度校核，并規(guī)定了具體的校核方法。GB 150-2011只考慮了內(nèi)壓力對接管的作用，而沒有考慮附加應力對接管的作用，而很多情況下接管材料為無縫鋼管，其材料性能低于筒體，可能產(chǎn)生接管處的附加應力，需要通過應力分析給出解釋。

對于一個典型的中壓力容器，其設(shè)計壓力為1.6MPa，筒體內(nèi)徑為2 600mm，材料為Q345R。利用Origin軟件得到DN100mm模型開孔補強前后的應力分布結(jié)果如圖2所示。找到危險點位置后，對危險點附近進行不同尺寸模型的應力線性化分析，選擇接管沒有自限位置的危險點為研究對象，其應力線性化結(jié)果見表3。

圖2 DN100mm模型開孔補強前后的應力分布結(jié)果

應力DN80mmDN100mmDN125mmDN150mm補強前補強后補強前補強后補強前補強后補強前補強后薄膜應力/MPa33.4225.8822.1116.84100.2793.1833.2711.95薄膜應力+彎曲應力/MPa99.4983.12111.1979.19115.5583.0999.8186.95峰值應力/MPa224.39247.67265.44257.27270.09278.96223.09312.49最大當量Mises應力/MPa100.21102.06109.34106.24119.73164.93119.82222.76

由圖2可以看出，補強之前接管上有部分較高應力區(qū)位于結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，在補強之后高應力沒有得到減小反而有些向外擴展。由表3可以看出，接管處的實際應力大于單純的由壓力引起的薄膜應力。在表3中，取接管位于焊縫之外的節(jié)點最大應力處，可以看出補強之后的薄膜應力和彎曲應力有所減小，但是當量應力反而增大。選擇當量應力最大處，在補強后明顯有一部分沿管壁的應力增大，而且該部分周圍沒有容器約束，這樣管壁的受力情況就不只是由于內(nèi)壓力造成的薄膜應力。

實驗中采用的尺寸是名義厚度，如果采用有效厚度有可能造成屈服，在有循環(huán)載荷和熱應力的情況下應力值更加增大。由于部分高應力分布區(qū)在管壁沒有筒體和補強圈約束的位置，這樣就需要考慮管子所受內(nèi)壓以及對附加應力進行校核或適當增加壁厚。

4 結(jié)論

4.1在GB 150-2011適用的開孔范圍中，內(nèi)徑Di≤1500mm時開孔最大直徑上限與Di>1500mm時開孔最大直徑下限存在矛盾，而ASME Ⅷ-1 2013則沒有該矛盾。通過無熱應力條件下520mm開孔的應力分析可以看出，當壓力大于5.0MPa時，按等面積補強后不能保證結(jié)構(gòu)安全。

4.2GB 150-2011只考慮了內(nèi)壓力對接管的作用，沒有考慮附加應力對接管的作用。而在很多情況下接管材料為無縫鋼管，其材料性能低于筒體，對于接管處的附加應力需要通過應力分析給出解釋，發(fā)現(xiàn)接管實際應力遠超過按照壓力作用所計算的值。

4.3ASME Ⅷ-1 2013引入了強度修正系數(shù)，增加了標準的適用范圍。GB 150-2011未引入ASME Ⅷ-1 2013的應力校正系數(shù)F，當遇到圓筒上的非圓形斜開孔和圓筒或錐殼上的多個開孔時無法進行計算。

4.4總體上ASME Ⅷ-1 2013相較于GB 150-2011更加完善，在實際設(shè)計中如果按照GB 150-2011的規(guī)定出現(xiàn)問題時，可以參考ASME Ⅷ-1 2013中的相關(guān)標準進行設(shè)計，利用JB 4732-1995進行校核，以提高設(shè)備的安全性，縮短設(shè)計周期。當接管材料強度與筒體強度相差較多時，應考慮對接管附加應力進行校核。

[1] GB 150-2011,壓力容器[S].北京:中國標準出版社,2011.

[2] ASME Ⅷ-1 2013,Rules for Construction of Pressure Vessels Division 1[S].New York:American Society of Mechanical Engineers,2013.

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ComparsionandAnalysisofAreaReplacementReinforcementsStipulatedinGB150-2011StandardandASMEⅧ-1 2013Code

GUO Kai, LI Da-wei, GUO Qi

(CollegeofEnvironmentalandChemicalEngineering,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China)

Differential analysis of the area replacement reinforcements stipulated in GB 150-2011A Standard and SME Ⅷ-1 2013 Code was implemented. Through employing the finite element analysis method and starting with stipulations on opening diameter and opening reinforcement, the difference and principle of the two standards were analyzed to have ASME Ⅷ-1 2013 Code referred to propose a new design method for pressure vessels.

press vessels, ASME Ⅷ-1 2013, GB 150-2011, opening reinforcement, finite element analysis

*郭 凱，男，1989年6月生，碩士研究生。河北省秦皇島市，066004。

TQ051.3

A

0254-6094(2016)06-0705-05

2015-12-14，

2016-11-05)