那國(guó)良 神華工程技術(shù)有限公司 北京 100011

幾乎所有國(guó)家的規(guī)范都規(guī)定了可不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大孔徑。根據(jù)《壓力容器》GB/T 150-2011標(biāo)準(zhǔn)釋義說(shuō)明，主要有以下三點(diǎn)依據(jù)：

(1) 容器在設(shè)計(jì)制造中，由于各種原因，殼體或封頭的有效厚度往往高于其計(jì)算厚度，厚度的增加使一次薄膜應(yīng)力減小，并相應(yīng)地使最大應(yīng)力值降低。這種情況實(shí)際上可看做容器已經(jīng)整體被加強(qiáng)，故不必另行補(bǔ)強(qiáng)。

(2) 容器上的開(kāi)孔一般總有接管相連，其接管有效厚度也高于計(jì)算厚度，多余的金屬已起補(bǔ)強(qiáng)作用，故對(duì)一定口徑的開(kāi)孔，可不必另行補(bǔ)強(qiáng)。

(3) 實(shí)際工程中，壓力容器的應(yīng)力集中系數(shù)允許≤3.0(未考慮管道外載荷等應(yīng)力集中的影響)，其中應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算公式為：

(1)

由式(1)可知,在一定的容器直徑D和壁厚S下，存在一定范圍的孔徑d，可使K≤3.0[1]。

1 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)原理分析

峰值應(yīng)力危害性在于可能導(dǎo)致疲勞裂紋或脆性斷裂，GB/T 150-2011中僅對(duì)脆性斷裂從結(jié)構(gòu)上加以限制，未考慮峰值應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋的影響。

2 GB/T 150-2011中“允許不另行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)”條款分析

GB/T 150-2011.3[2]中6.1.3規(guī)定，殼體開(kāi)孔滿足下述全部要求時(shí)，可不另行補(bǔ)強(qiáng)(非徑向位置接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)需按考慮接管中心線與筒體軸線距離限制)：

(1) 設(shè)計(jì)壓力≤2.5 MPa。

(2) 兩相鄰開(kāi)孔中心的間距(對(duì)曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算)應(yīng)不小于兩孔直徑之和；對(duì)于3個(gè)或以上相鄰開(kāi)孔，任意兩孔中心的間距(對(duì)曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算)應(yīng)不小于兩孔直徑之和的2.5倍。

(3)接管外徑小于或等于89 mm。

(4) 接管壁厚滿足表1要求，表中接管壁厚的腐蝕余量為1mm，需要加大腐蝕余量時(shí)，應(yīng)相應(yīng)增加壁厚。

表1 開(kāi)孔允許不另行補(bǔ)強(qiáng)的接管外徑、壁厚要求 (mm)

(5)開(kāi)孔不得位于A、B類焊接接頭上。

(6)鋼材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值Rm≥540 MPa時(shí)，接管與殼體的連接宜采用全焊透的結(jié)構(gòu)形式。

下面針對(duì)GB/T 150-2011.3中6.1.3小節(jié)的規(guī)定逐條進(jìn)行分析。

(1)符合GB/T 150-2011.3中第6.1.3小節(jié)的小開(kāi)孔基本滿足第6.6節(jié)中分析法的適用范圍，可以借鑒分析法開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的校核條件來(lái)分析本條的合理性，即開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)強(qiáng)度計(jì)算需滿足SⅡ≤2.2Sm；SⅣ≤2.6Sm，其中：

SⅡ=Kmσ

(2)

SⅣ=Kσ

(3)

由式(2)、(3)可知，壓力容器開(kāi)孔處的強(qiáng)度僅與系數(shù)Km(K)和開(kāi)孔處殼體的計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度有關(guān)，與壓力容器的設(shè)計(jì)壓力并無(wú)直接關(guān)系，因此本條中采用限制設(shè)計(jì)壓力來(lái)判斷是否需要另行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的合理性可能需要工程實(shí)踐來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證。

(3)由圖1～4[2]可明顯看出，在δet、δe、D確定的情況下，隨著d/D增大，一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度集中系數(shù)K和一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度集中系數(shù)Km均顯著增大。

標(biāo)準(zhǔn)中通過(guò)限制“開(kāi)孔允許不另行補(bǔ)強(qiáng)”的最大孔徑是正確的。然而，該條款中限制條件為最大接管“外徑”。根據(jù)等面積補(bǔ)強(qiáng)原理，壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)所補(bǔ)的是承載面積，其孔徑應(yīng)為Di-2C1-2C2，即最大內(nèi)徑，因此該條應(yīng)結(jié)合第4條中規(guī)定的接管最小壁厚及腐蝕余量來(lái)統(tǒng)一分析判斷。

圖1 等效總應(yīng)力集中系數(shù)K曲線(1)

圖2 等效總應(yīng)力集中系數(shù)K曲線(2)

圖4 等效薄膜應(yīng)力集中系數(shù)Km曲線(2)

(4)該條款中，限制了“開(kāi)孔允許不另行補(bǔ)強(qiáng)”接管的最小壁厚，而并未限制δet/δe，由圖1～4可查，δet/δe越小，一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度集中系數(shù)K和一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度集中系數(shù)Km均會(huì)顯著增大。因此，若補(bǔ)充限制δet/δe的范圍，可能使本條規(guī)定更全面。

(5)壓力容器A、B類焊接接頭在焊接時(shí)可能產(chǎn)生缺陷，并產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，使焊縫和熱影響區(qū)質(zhì)量和材料力學(xué)性能下降。然而，若采取可靠的焊接工藝，并進(jìn)行焊后消除應(yīng)力熱處理，輔以適當(dāng)?shù)臒o(wú)損檢測(cè)，則可以避免上述缺陷，但出于安全考慮，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定開(kāi)孔不得位于A、B類焊接接頭上。

(6)鋼材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值Rm≥540 MPa(即高強(qiáng)鋼)屬于裂紋敏感材料，采用全焊透結(jié)構(gòu)，可以有效地避免因未全焊透引起的結(jié)構(gòu)突變，造成局部應(yīng)力集中過(guò)大，產(chǎn)生細(xì)微裂紋，從而引起壓力容器破壞。除高強(qiáng)鋼之外， Cr-Mo鋼也屬于裂紋敏感性材料,也宜采用全焊透的結(jié)構(gòu)形式。

3 舉例分析

Di=800，δn=7.5，dO=88.9，δnt=6，P=2.5，殼體材質(zhì)為Q345R，接管材質(zhì)為20Ⅱ鍛件，殼體與接管腐蝕余量均取1。采用SW6-2011 v4.0進(jìn)行等面積開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算計(jì)算單位接管:N1,Φ 88.9×6計(jì)算方法: GB/T 150.3-2011等面積補(bǔ)強(qiáng)法,單孔設(shè)計(jì)條件簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力 pc2.5MPa設(shè)計(jì)溫度20℃殼體型式圓形筒體殼體材料名稱及類型Q345R板材殼體開(kāi)孔處焊接接頭系數(shù)φ1殼體內(nèi)直徑 Di800mm殼體開(kāi)孔處名義厚度δn7.5mm殼體厚度負(fù)偏差 C10.3mm殼體腐蝕裕量 C21mm殼體材料許用應(yīng)力[σ]t189MPa接管軸線與筒體表面法線的夾角(°)0接管軸線與封頭軸線的夾角(°)接管實(shí)際外伸長(zhǎng)度100mm接管連接型式插入式接管接管實(shí)際內(nèi)伸長(zhǎng)度0mm接管焊接接頭系數(shù)1接管材料名稱及類型20鍛件接管腐蝕裕量1mm補(bǔ)強(qiáng)圈材料名稱凸形封頭開(kāi)孔中心至 封頭軸線的距離mm補(bǔ)強(qiáng)圈外徑mm補(bǔ)強(qiáng)圈厚度mm接管厚度負(fù)偏差 C1t0mm補(bǔ)強(qiáng)圈厚度負(fù)偏差 C1rmm接管材料許用應(yīng)力[σ]t152MPa補(bǔ)強(qiáng)圈許用應(yīng)力[σ]tMPa開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算非圓形開(kāi)孔長(zhǎng)直徑78.9mm開(kāi)孔長(zhǎng)徑與短徑之比1殼體計(jì)算厚度δ5.3262mm接管計(jì)算厚度δt0.6542mm補(bǔ)強(qiáng)圈強(qiáng)度削弱系數(shù) frr0接管材料強(qiáng)度削弱系數(shù)fr0.8042開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算直徑 d78.9mm補(bǔ)強(qiáng)區(qū)有效寬度 B157.8mm接管有效外伸長(zhǎng)度 h119.862mm接管有效內(nèi)伸長(zhǎng)度 h20mm開(kāi)孔削弱所需的補(bǔ)強(qiáng)面積A431mm2殼體多余金屬面積 A167mm2接管多余金屬面積 A2147mm2補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)的焊縫面積 A311mm2A1+A2+A3= 225 mm2,小于A,需另加補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)圈面積 A40mm2A-(A1+A2+A3)206mm2結(jié)論:不合格圖5 等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，A1+A2+A3=225mm2，小于開(kāi)孔削弱所需的補(bǔ)強(qiáng)面積A=431mm2，所差補(bǔ)強(qiáng)面積與所需面積之比約為48%。為了進(jìn)一步驗(yàn)證，按GB/T 150.3-2011中6.6節(jié)分析法進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)算。

計(jì)算步驟：

查圖J-2，得：

由上可見(jiàn)，按GB/T 150.3-2011中6.6節(jié)分析法計(jì)算得到的結(jié)果也是不合格的，該開(kāi)孔可能存在風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)上述算例進(jìn)行調(diào)整，向外增加接管壁厚至12mm，殼體厚度保持不變，重新計(jì)算，見(jiàn)圖6。

開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算計(jì)算單位接管:N1,Φ 100.9×12計(jì)算方法:GB/T 150.3-2011等面積補(bǔ)強(qiáng)法,單孔設(shè)計(jì)條件簡(jiǎn)圖計(jì)算壓力 pc2.5MPa設(shè)計(jì)溫度20℃殼體型式圓形筒體殼體材料名稱及類型Q345R板材殼體開(kāi)孔處焊接接頭系數(shù)φ1殼體內(nèi)直徑 Di800mm殼體開(kāi)孔處名義厚度δn7.5mm殼體厚度負(fù)偏差 C10.3mm殼體腐蝕裕量 C21mm殼體材料許用應(yīng)力[σ]t189MPa接管軸線與筒體表面法線的夾角(°)0接管軸線與封頭軸線的夾角(°)接管實(shí)際外伸長(zhǎng)度100mm接管連接型式插入式接管接管實(shí)際內(nèi)伸長(zhǎng)度0mm接管焊接接頭系數(shù)1接管材料名稱及類型20鍛件接管腐蝕裕量1mm補(bǔ)強(qiáng)圈材料名稱凸形封頭開(kāi)孔中心至封頭軸線的距離mm補(bǔ)強(qiáng)圈外徑mm補(bǔ)強(qiáng)圈厚度mm接管厚度負(fù)偏差 C1t0mm補(bǔ)強(qiáng)圈厚度負(fù)偏差 C1rmm接管材料許用應(yīng)力[σ]t152MPa補(bǔ)強(qiáng)圈許用應(yīng)力[σ]tMPa開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算非圓形開(kāi)孔長(zhǎng)直徑78.9mm開(kāi)孔長(zhǎng)徑與短徑之比1殼體計(jì)算厚度δ5.3262mm接管計(jì)算厚度δt0.6376mm補(bǔ)強(qiáng)圈強(qiáng)度削弱系數(shù) frr0接管材料強(qiáng)度削弱系數(shù)fr0.8042開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算直徑 d78.9mm補(bǔ)強(qiáng)區(qū)有效寬度 B157.8mm接管有效外伸長(zhǎng)度 h130.77mm接管有效內(nèi)伸長(zhǎng)度 h20mm開(kāi)孔削弱所需的補(bǔ)強(qiáng)面積A443mm2殼體多余金屬面積 A165mm2接管多余金屬面積 A2513mm2補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)的焊縫面積 A322mm2A1+A2+A3= 601 mm2,大于A,不需另加補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)圈面積 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2結(jié)論:合格圖6 調(diào)整壁厚后計(jì)算結(jié)果

調(diào)整壁厚后計(jì)算結(jié)果合格。

4 結(jié)語(yǔ)

GB/T 150-2011中關(guān)于允許不另行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的條款是根據(jù)我國(guó)壓力容器發(fā)展歷史、使用情況等根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定的。然而，通過(guò)以上分析，該條款中的一些子條款的合理性是值得研究和探討的，在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)一定問(wèn)題，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)每臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)的具體情況來(lái)具體分析，確保壓力容器設(shè)計(jì)的安全、可靠。

符 號(hào) 說(shuō) 明

Di筒體內(nèi)徑，mm

dO接管外徑，mm

K 一次加二次應(yīng)力強(qiáng)度集中系數(shù)

Km一次局部薄膜應(yīng)力強(qiáng)度集中系數(shù)

P 計(jì)算壓力，MPa

D 筒體中面直徑，mm

Sm材料設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，MPa

δn殼體名義厚度，mm

δnt接管名義厚度，mm

δe殼體有效厚度，mm

δet接管有效厚度，mm