2021年压力容器常用开孔补强
方法对比分析
Safety management is an important part of enterprise production management. The object is the state management and control of all people, objects and environments in production.
( 安全管理 )
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编号：AQ-SN-0148
2021年压力容器常用开孔补强方法对比分
析
压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。本文对这两种方法作以比较和分析。
在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。
开孔补强基本原理
2.1.等面积法
该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力。
等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。
2.2.分析法
这种补强方法是以壳体极限分析为基础的，相对等面积法合理得多，但须受开孔壳体和补强接管的尺寸限制。这种方法优点是：克服等面积法的缺点，在转角处采用圆滑过渡，减少结构形状的突变，减小应力集中程度。将补强面积集中在应力最高点，充分利用补强面积，使补强更经济、合理。
对比分析
3.1.等面积法
等面积法顾名思义：壳体截面因开孔被削弱的承受强度的面积，须有补强材料予以等面积补偿，其实质是壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的“强度面积”A乘以壳体材料在设计温度下的许用应力[σ]t
，即A[σ]t
，应由补强材料予以补偿，当补强材料与壳体材料相同时，则补强面积就等于削弱的面积，故称等面积法。
由于该方法仅从计算截面的一次平均应力概念出发，只考虑壳体计算截面的承载能力与内压的平衡，因此是属于满足静力强度的简单方法。它对开孔结构安定性的保障是通过双向受拉伸的无限大平板开孔问题所导出的孔边应力集中系数≤3的模型近似加以考虑的，不过，此法由于长时间的使用，一般压力容器使用条件也能满足安定性要求，因此在工程设计中有着广泛的应用。
3.2.分析法
该方法是基于较复杂的壳体极限分析方法，即根据塑性失效的观点，假定部件由弹性—理想塑性材料构成，认为结构在相当多的部分发生屈服前不产生变形，且不考虑残余应力对结构的影响。当加载时，最初材料呈弹性变形，随着载荷的继续增加，将在某处产生屈服。当载荷进一步增加时，屈服层便扩展以至增加到足以引起恒定载荷作用下产生流动，这时的载荷便称作极限载荷，其分析方法也称作极限分析法。
由于该方法仅从开孔结构的极限载荷出发，也是一种考虑静力强度的计算方法。采用此方法计算时，其开孔附近应力集中区的最大应力将允许有较高的许用值，结果将使开孔附近的最大应力作用沿着整个壁厚方向发生屈服，但是，由于它是局部的，因而不会导致容器失效。
从以上数据可以看出，分析法无论从受力、还是补强厚度上都比等面积补强法优越得多，但分析法无论从选材还是制造上要求都很严格，必须将接管根部与壳体连接处做成一整体结构，适合于高压容器的开孔补强，而等面积补强法更适合中低压容器的开孔补强。
适用范围
4.1.等面积法
适用于压力作用下壳体和平封头上的圆形、椭圆形或长圆形开孔。当在克体上开椭圆形或长圆形孔时，孔的长径与短径之比应不大于2.0。
4.1.1.对于圆筒
当筒体内径Di
≤1500mm时，开孔最大直径dop
≤Di
，且dop
≤520mm；
当筒体内径Di
＞1500mm时，开孔最大直径dop
≤Di
，且dop
≤1000mm。
4.1.2.凸形封头或球壳的开孔最大直径dop
≤Di
。
4.1.3.锥形封头开孔的最大直径dop
≤Di
，Di
为开孔中心处的锥体内直径。
注：开孔最大直径dop
对椭圆形或长圆孔开孔指长轴尺寸。
4.2.分析法
本方法是根据弹性薄壳理论得到的应力分析法，用于内压作用下具有径向接管圆筒的开孔补强设计，其适用范围如下：
4.2.1.d≤0.9D，且max[0.5,d/D]≤σet
/σe
≤1.5。
设计举例
在牙哈项目中设计的12.6-1200×6000高压计量分离器，它的设计条件是：设计压力为12.6MPa，设计温度为50℃，筒体直径为DN1200mm，开孔从DN25～DN400不等。下面以一个DN450开口接管为例说明密集补强法的优越性：首先按照内压容器计算公式，如果开DN450的孔，采用等面积法，由于开口补强，筒体厚度应为64mm，如果按照分析法计算，同样接管厚度为48mm不变的情况下，筒体厚度为58mm，减薄了6mm。
通过以上分析比较，容器除了受内压外，在接管上还有各种外载及温度的作用，因此，开孔以后不但削弱了器壁强度，并在开孔周围产生了局部峰值应力，其数值很大，通常达到正常应力的5-6倍，因此容器破坏除了因材质、制造等原因引起以外，开孔附近应力集中也是容器破坏的一个相当重要的原因。压力容器往往是石油、化工生产中的主要设备，制造要求较高，金属消耗量大，因此设计时要根据使用条件、制造、安装等全面考虑。针对某一点的应力状态具体分析，使筒体的开孔补强计算更经济、合理、减少投资，因此正确计算开孔附近局部应力大小并选择恰当的的补强计算方法是
