熊從貴 陳送送 宋玲麗 何 靜
(臺(tái)州龍江化工機(jī)械科技有限公司)
文獻(xiàn)[2]介紹了等面積補(bǔ)強(qiáng)法、極限分析補(bǔ)強(qiáng)法和安定性分析補(bǔ)強(qiáng)法。等面積補(bǔ)強(qiáng)的基本原理是補(bǔ)強(qiáng)金屬面積不小于被削弱的金屬面積,補(bǔ)強(qiáng)后的應(yīng)力集中系數(shù)在1.5~3.0之間,強(qiáng)度安全系數(shù)可達(dá)到4~5;極限分析補(bǔ)強(qiáng)法也稱彈性失效補(bǔ)強(qiáng)法,是以極限分析為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法,補(bǔ)強(qiáng)后的應(yīng)力集中系數(shù)等于2.25,最大應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)2.25;安定性分析補(bǔ)強(qiáng)法也稱彈塑性失效補(bǔ)強(qiáng)法,它允許補(bǔ)強(qiáng)后的容器在開孔附近出現(xiàn)塑性變形,但在后續(xù)加載過程中不能產(chǎn)生新的塑性變形,補(bǔ)強(qiáng)后的應(yīng)力集中系數(shù)等于3,最大應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)3。極限分析補(bǔ)強(qiáng)法和安定性分析補(bǔ)強(qiáng)法都不能用于高循環(huán)載荷壓力容器,且必須采用整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[3]介紹了等面積補(bǔ)強(qiáng)法、壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法和開孔補(bǔ)強(qiáng)的另一方法。壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法的原理是容器殼體的有效補(bǔ)強(qiáng)面積與該材料許用應(yīng)力的乘積不小于有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的壓力作用面積與壓力的乘積,其適用的最大開孔率為0.8,比等面積補(bǔ)強(qiáng)法的適用范圍更寬。而開孔補(bǔ)強(qiáng)的另一方法實(shí)際與文獻(xiàn)[2]中的極限分析補(bǔ)強(qiáng)法相同。文獻(xiàn)[4]介紹了等面積補(bǔ)強(qiáng)法、彈塑性失效補(bǔ)強(qiáng)法、壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法和彈性失效補(bǔ)強(qiáng)法。
針對(duì)開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算,GB/T 150.3—2011《壓力容器 第3部分:設(shè)計(jì)》[5]采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法和分析法,等面積補(bǔ)強(qiáng)法對(duì)球殼、平蓋和凸形封頭適用于開孔率不大于0.5的情況,對(duì)錐形封頭適用于開孔率不大于0.333的情況,分析法適用于圓筒上徑向接管開孔率不大于0.9的情況。JB/T 4732—1995(2005年確認(rèn))《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[6]也采用等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算,同樣適用于開孔率不大于0.5的情況,另外在規(guī)范性附錄中提出了適用于球殼徑向接管開孔率不大于0.8的塑性失效極限分析法。HG/T 20582—2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》[7]采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法和壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法,對(duì)不考慮接管補(bǔ)強(qiáng)而只用殼體補(bǔ)強(qiáng)的,適用的開孔率不大于0.5;對(duì)采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的,適用的開孔率不大于0.5;對(duì)球殼和凸形封頭有接管或凸緣補(bǔ)強(qiáng)的,適用的開孔率不大于0.6;對(duì)采用接管補(bǔ)強(qiáng)的圓筒,適用的開孔率不大于1.0??梢姡琀G/T 20582—2011對(duì)壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法的適用范圍很寬。但HG/T 20582—2011規(guī)定了該標(biāo)準(zhǔn)中的壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法不適用于材料的常溫屈強(qiáng)比大于0.68、具有應(yīng)力腐蝕、可能產(chǎn)生蠕變或脈動(dòng)載荷的場(chǎng)合。
在制冷裝置用壓力容器上,有的開孔比較特殊,如儲(chǔ)氨器上設(shè)置的集油包,臥式蒸發(fā)器上設(shè)置的集油包、集氣包等,通常是在容器的殼體上開一個(gè)較小的圓孔,然后在圓孔的外側(cè)焊接一個(gè)比圓孔直徑大得多的圓管,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)主要用于收集容器內(nèi)的潤滑油或制冷劑氣體,使得存在一個(gè)不受容器內(nèi)流體擾動(dòng)的、相對(duì)獨(dú)立的儲(chǔ)存空間,而容器殼體上的開孔主要起到聯(lián)通和輸送流體的作用。
圖1 特殊開孔結(jié)構(gòu)示意圖
集油包或集氣包與容器殼體連接部位的受力如圖2所示,集油包或集氣包覆蓋的容器殼體內(nèi)外均承受介質(zhì)的均布?jí)毫,因此,實(shí)際開孔直徑d1至集油包或集氣包內(nèi)徑d2之間的這部分殼體的徑向壓力相等、方向相反,受力平衡,環(huán)向應(yīng)力隨著d1的增加而增大,增加的應(yīng)力集中在開孔邊緣,在離開孔邊緣一定距離后,應(yīng)力不再增大。如果d1至d2的距離大于應(yīng)力衰減范圍,則不用考慮因開孔引起的局部薄膜應(yīng)力,工程上認(rèn)為因開孔增加的局部薄膜應(yīng)力衰減距離小于2d1。
圖2 開孔結(jié)構(gòu)的受力圖
在集油包或集氣包與殼體連接處,由于集油包或集氣包的徑向膨脹變形受到限制,在連接處產(chǎn)生二次局部彎曲應(yīng)力。容器殼體在介質(zhì)壓力P作用下,集油包或集氣包處的約束影響該部位殼體的變形協(xié)調(diào),會(huì)增加連接處的彎曲應(yīng)力,同樣,也會(huì)因影響集油包或集氣包在P作用下的變形協(xié)調(diào)而增加連接處的應(yīng)力。另外,在連接處還產(chǎn)生應(yīng)力集中這與普通的開孔接管處的受力情況相同。
根據(jù)受力分析,圖1這類特殊結(jié)構(gòu)的開孔仍然可以采用GB/T 150.3—2011中的等面積補(bǔ)強(qiáng)方法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算,此時(shí)應(yīng)考慮的開孔不是d1,而是d2。如圖3所示,殼體的補(bǔ)強(qiáng)面積還應(yīng)計(jì)入d1至d2之間的殼體金屬有效截面積。
圖3 特殊開孔的有效補(bǔ)強(qiáng)范圍
由于此結(jié)構(gòu)中因開孔d1增加的局部薄膜應(yīng)力已在d2范圍內(nèi)衰減,而d1至d2之間的殼體由于內(nèi)外壓力平衡,由介質(zhì)的壓力P產(chǎn)生的總體薄膜應(yīng)力可不計(jì)。因此按照本計(jì)算方法得到的結(jié)果應(yīng)該是偏安全的。
計(jì)算開孔直徑為:
殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積為:
殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積為:
接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積為:
焊縫金屬面積為:
若A1+A2+A3≥A,則開孔不需另加補(bǔ)強(qiáng)面積;否則,開孔需要另加補(bǔ)強(qiáng)面積。式中,除d1和d2外,其余符號(hào)及其計(jì)算方法與GB/T 150.3—2011[5]相同。
對(duì)于因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求,需要在壓力容器殼體上開圓孔,再焊接比圓孔尺寸大得多的圓管的情況,可以采用上述方法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算,但是,對(duì)于這類特殊結(jié)構(gòu)的開孔,在設(shè)計(jì)、制造時(shí)還需要注意:所焊圓管應(yīng)與實(shí)際開孔d1保持同心;所焊圓管的內(nèi)徑d2應(yīng)不小于2d1;接管與殼體之間的焊接接頭應(yīng)全焊透;殼體上實(shí)際開孔的孔邊應(yīng)切割整齊,孔口應(yīng)光滑。
上述計(jì)算方法已經(jīng)在多個(gè)規(guī)格的數(shù)十臺(tái)制冷裝置用壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)采用,有的容器使用年限已達(dá)近十年,使用情況普遍良好。