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开孔补强计算时接管厚度附加量对计算结果的影响陆英（常州市乐萌压力容器有限公司，江苏 常州 213138）[摘 要] 国内外大多数压力容器设计标准规范中开孔补强计算是以有效厚度进行计算的，但GB 150.3-2011标准中计算外伸、内伸接管有效补强高度时，是以接管名义厚度计算的，由于名义厚度中包含了厚度附加量，不符合强度计算理论。
通过对一台氯气缓冲罐接管开孔补强计算进行对比说明，按GB 150.3-2011标准计算开孔补强满足强度要求，如采用接管有效厚度进行计算，则不能满足强度要求，建议GB 150.3-2011标准中开孔补强计算以接管有效厚度作为计算依据。
[关键词] 接管开孔补强；接管有效厚度；接管有效补强高度；接管厚度附加量作者简介：陆英（1976—），女，江苏常州人，本科学历，工程师。
在常州市乐萌压力容器有限公司主要从事压力容器设计和制造工作。
压力容器根据操作工艺要求，需要在壳体上开设各种规格的管口。
容器壳体开孔后，因承载面积的减少及结构不连续，而引起应力集中，使开孔边缘应力增大且强度受到削弱，所以需要对接管开孔进行补强计算，保证接管开孔部位满足强度要求。
接管开孔补强计算是压力容器设计过程中的一项重要内容。
1 开孔补强的原理及计算方法压力容器受到介质压力作用后，壳体承受薄膜应力。
当在壳体上开孔后，既减少了壳体的承载面积而使应力增加，又由于开孔引起结构不连续，导致开孔部位应力集中[1]。
由此可知，壳体开孔后将使开孔部位强度削弱。
为了保证壳体承载能力不因开孔削弱而降低，需在开孔边缘附近增加相应的承载金属面积，以满足强度要求。
满足开孔补强的强度条件是开孔边缘区域内的应力在许用范围内，需要通过开孔补强计算，确定开孔区域是否满足强度要求。
开孔补强计算方法有等面积法、压力面积法、应力分析法及有限元分析法[2]，最常用方法是等面积法，等面积法是壳体开孔所需补强面积等于因开孔而削弱的面积。
采用等面积补强计算时，壳体开孔所需补强面积是壳体计算厚度与开孔直径乘积[3]，在有效补强范围内补强截面积包括壳体多余面积、接管多余面积、补强区域内焊缝面积以及另加补强金属面积。
第一章绪论1.1开孔补强的重要性在压力容器设计中，为满足工艺操作，容器制造、安装、检验及维修等要求，开孔是不可避免的。
由于容器开孔以后，不仅消弱了容器的整体强度，而且还因开孔引起的应力集中以及接管和容器壁的连接造成开孔边缘的局部的高应力，这种高应力可以达到容器筒体一次总体薄膜应力的3倍，某些场合甚至会达到5~6倍，再加上接管有时还会受到各种外加载荷的作用而产生的应力温差产生的热应力，使得开孔接管处的局部应力进一步的提高。
又由于材质和制造缺陷等各综合作用，开孔接管附近就成了压力容器的破坏源—主要疲劳破坏和脆性裂口。
因此，压力容器设计中必须充分考虑开孔的补强问题。
1.2 开孔补强的设计方法(一)等面积补强法采用此方法要求容器开孔后,在容器和接管连接处周围的补强金属必须等于或大于开孔缩消弱的金属量(已通过孔截面的投影面积计算)。
它是根据补强后，强度安全系数为4~5的经验制订，希望不降低容器开孔后的平均应力。
这种补强方法比较安全可靠，使用简便，就是在接管同时受到内压、弯矩、推力等作用也能够给出足够的安全裕度。
但对不同的接管进行补强时，会得到不同的应力集中系数。
等面积补强应以在开孔中心截面上的投影面积进行计算，使补强材料的截面积不小于因开孔而挖掉的金属面积。
补强材料一般需与壳体材料相同，补强材料许用应力小于壳体的时，补强面积按壳体材料与补强材料许用应力之比而增加。
若补强材料的许用应力大于壳体的许用应力，所需的面积不得减少。
(二)根据弹塑性失效准则的设计方法这种补强方法，允许补强后的容器在开孔附近出现塑性变形。
在一次加载过程中出现的一定量的塑性变形，在第二次以后的重复加载中，除了蠕变效应外，不会再出现新的塑性变形。
只要一次应力加上二次应力小于三倍许用应力即两倍的屈服应力，容器就认为是安定的。
这种补强方法是根据美国压力容器研究委员会(PVRC)在圆筒和球壳上装有单根圆筒形径向接管的研究结果得出，其基本的出发点是从应力分类中的安定性概念出发，为维持开孔接管区的安定而僵局部高应力点的虚拟应力限制于δ2s,且将开孔并补强后壳体的屈服压力维持在为开孔时的98%的屈服压力。
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。
浅谈压力容器的开孔补强设计摘要：笔者通过对新版GB150.1～4-2011的宣贯学习，由于此次标准更新内容多，修订的内容宽，许多内容的修订都紧跟时代步伐，一些新思想、新理念、新技术、新材料的应用，使得新版GB150更具有鲜明的特色，同时也借鉴了ASME、EN等标准的一些先进的设计理念，可以说是融会贯通，更好的以实践为准则。
本文主要就压力容器的开孔补强设计展开探讨。
关键词：压力容器新版GB150开孔补强设计一、压力容器的开孔补强设计在压力容器壳体和平盖上，因开孔接管处几何不连续，容器强度受到削弱，接管与主壳相贯处应力集中，内压下产生较大的局部应力，再加上接管上会有各种附加载荷产生的应力、温差应力以及容器材质和制造缺陷等因素的综合作用，往往成为容器破坏的原发部位，需要对开孔接管处进行开孔补强，因此开孔补强是压力容器设计中的一项重要内容。
具体对压力容器的开孔补强设计方案主要包括以下四种：1.不另行补强GB150.3-2011中6.1.3规定壳体开孔不另行补强需满足以下条件：1.1设计压力p≤2.5MPa;1.2两相邻开孔中心的间隙应不小于两孔直径之和；对于3个或3个以上相邻开孔，任意两孔中心的间距应不小于该两孔直径之和的2.5倍；1.3接管外径小于或等于89mm;1.4接管厚度满足GB150.3-2011表6-1的要求，表中接管壁厚的腐蚀裕量为1mm,需要加大腐蚀裕量时，应相应增加壁厚；1.5开孔不得位于A、B类焊接接头上；1.6钢材的标准抗拉强度下限值大于等于540 MPa时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构型式。
此外，笔者还想补充一种不另行补强的情况：当设备壳体有效厚度大于等于其计算厚度的2倍时，壳体开孔补强也是可以免除计算的。
此种方案的提出是用等面积补强法来推导出来的，大多出现在操作条件不苛刻的换热器设计当中，此时为了保证设备的刚性对壳体的最小厚度进行了要求，而此最小厚度有时会大于壳体的计算厚度一倍甚至更多。
关于化工压力容器的补强设计及计算发表时间：2020-04-07T15:17:02.053Z 来源：《基层建设》2019年第32期作者：赵华融[导读] 摘要：在压力容器设计过程中，满足强度的开孔补强设计及计算对压力容器的安全、平稳运行至关重要。
广州市浩鑫洁净工程技术有限公司摘要：在压力容器设计过程中，满足强度的开孔补强设计及计算对压力容器的安全、平稳运行至关重要。
基于此，笔者展开以下探讨以供参考。
关键词：化工压力容器；开孔补强1.化工压力容器开孔补强设计在化工压力容器开孔补强设计过程中，最主要的是截面的选取，通过对补强面积的确定和计算，求得开孔所需补强面积，再选择适当的补强方式。
补强圈在化工压力容器补强设计中得到较多应用，而厚壁接管补强在其设计制造中显现出的优势使其得到广泛的应用。
2.开孔补强设计在压力容器设计中的运用（1）补强圈补强设计在设备中，适当的补强面积可以使开孔设备拥有更加强大的承载力，适当降低开口边沿的应力峰值。
采用补强圈结构进行补强时，必须符合下面的几项规定：1）低合金钢的标准抗拉强度下限值＜540MPa； 2）补强圈厚度小于或等于1.5倍壳体壁厚； 3）壳体名义厚度≤38mm。
此外，对于盛装毒性为极度危害与高度危害介质的压力容器，也不宜采用。
由于补强圈与壳体采用搭接连接方式，搭接结构处角焊缝会引起较大的局部应力。
补强圈与壳体金属间的热膨胀差会使补强局部区域产生热应力，因此，补强圈补强结构不能用于承受疲劳载荷的压力容器。
（2）厚壁接管补强设计针对容器壁的小孔径开孔补强设计，厚壁接管补强法是较为常用的方法，选用厚壁接管补强时，应保证接管内径满足工艺要求。
厚壁接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验，补强效果较好，厚壁接管补强结构的加厚部分处于最大应力区域内，从而可以有效降低开孔边的应力集中系数。
厚壁接管补强可选择无缝钢管，也可选用锻件加工制造。
厚壁管补强与壳体的连接方式有内齐平式、内插入式和外安放式三种类型，见图1，按等面积法原则，内插入式能适当减小补强厚壁管壁厚。
设计压力pc
设计温度t
封头名义厚度δ
n
6
65
40
筒体内直径Di
接管内直径di
封头头腐蚀余量c2
3400
548
1.5
筒体在设计温度下的许用应力接管在设计温度下的许用应力封头开孔处计算厚度δ
17017837.83382789强度削弱系数fr
接管实际外伸高度h
有效宽度B
1
175
1090
内伸接管高度h'
接管计算厚度δt
外伸接管有效高度h1
09.394285714
127.8671185
需要的面积A 20619.4362补强面积Ae
5249.049064壳体有效厚度减去计算面积
之外的多余面积A1363.0637982
接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积A24885.985266
是否需要补强需要
需要另外补强的面积
15370.38714
实际补强面积16250
计算结果
OK
面积计算
计算数据
原始条件
GB150-2011（等面积法补强计算）
算数据
接管名义厚度δnt
30接管腐蚀余量c2t
1.5
接管有效厚度δet
28.5
接管开口直径dop
545内伸接管有效高度h2。
压力容器大开孔补强计算——等面积法、分析法和有限元应力分析法【摘要】首先对压力容器大开孔补强计算中涉及的应力特点及强度分析进行阐述，然后将目前存在的三种主要的补强计算方法的计算原理、特点等做了详细的介绍，并对三种不同的方法的优缺点进行比较总结，从而要求设计的容器更加符合安全、经济等多方面的要求，实现优化设计的目的。
【关键词】压力容器大开孔补强等面积法分析法及有限元应力分析法在设计者设计容器及压力容器的过程中通常都需要设计计算壳体的大开孔补强，GB150-2011即钢制压力容器中规定了容器壳体开孔范围，根据壳体的内径不同，分别作了明确地规定，当内径小于1500毫米时，开孔的最大直径要小于等于二分之三的内径，且不能大于520毫米；而当其内径大于1500毫米时，开孔最大直径则应当小于等于三分之二的内径，且其直径不能大于1000毫米。
本文中的容器的大开孔指的是超过以上范围的开孔。
现如今，主要是通过等面积法、分析法及有限元应力分析法三种方法计算压力容器大开孔的补强。
1 大开孔应力特点及强度分析对压力容器的壳体做开孔后，容器开孔的边缘会形成较为复杂的应力状况，以下是对会引起的三种应力的详细描述。
1.1 局部薄膜应力一般来说压力容器的壳体承受的都是一次总体薄膜应力，指的是它承受的薄膜应力是均匀的。
而对其进行开孔后，会导致其面积的减少，即该截面的承载压力的面积减少，将会破坏其原有的均匀受力的情况，对开孔的周边其变化尤为明显，其应力会明显的增加，而对远离开孔的地方，其应力则基本不受影响。
此种仅在开孔附近发生变化的应力被称为局部薄膜应力，同时若这种应力引起失效，则被称为静力强度失效。
1.2 弯曲应力当容器开孔后，一般需要有另外的一个壳体与被开孔的容器相互贯通。
即需要设置接管、人孔。
两个相连通的壳体在压力的载荷作用下的直径的增大度一般来说不同，而当对其进行接管后，为了平衡、协调其不一致的变形，壳体自身通常会产生一种被称为边界内力的平衡力。
圆形平盖开孔补强计算王金花【摘要】对于圆形平盖上开孔,GB 150-2011针对不同的开孔情况分别给出了补强计算方法,通过工程算例计算,结合前人的研究成果,建议平盖上开多个孔时尽量使平盖上相邻开孔中心的间距不小于两孔直径之和.另外对比了SW6和PV软件在计算平盖单个开孔补强的不同,如果开孔满足GB 150-2011中不另行补强的条件则用PV软件计算,如果不满足则用PV或SW6软件计算均可.%With regard to openings on round flat covers,their different reinforcement calculation methods were stipulated in GB 150-2011 Standard,respectively.Based on the engineering examples calculated and previous research results, it's proposed that distance between two adjacent holes on the flat cover shall not be less than thesum of two holes' diameters.In addition, comparing the difference of single opening's reinforcement calculationmethod stipulated in PV and SW6 software respectively shows that, if the opening satisfies GB 150-2011 Standardand asks nothing of additional reinforcement, PV software can be used, if not, PV or SW6 can be used.【期刊名称】《化工机械》【年(卷),期】2018(045)002【总页数】4页(P193-195,217)【关键词】平盖;法兰;人孔;压力容器;开孔补强;补强计算;计算软件【作者】王金花【作者单位】中海油石化工程有限公司【正文语种】中文【中图分类】TQ050.2随着人们安全环保意识的增强，埋地设备得到越来越广泛的应用。
AMSE Ⅷ-1和GB/T150中开孔补强相关规定的比较发布时间：2022-06-10T07:01:24.134Z 来源：《工程建设标准化》2022年第2月4期作者：康康,刘文涛,卢炳攀[导读] 对规范AMSE Ⅷ-2019和GB/T150-2011中的开孔补强方法进行比较，区分不同规范中关于开孔补强相关要求和计算的差异，从而更好的理解标准。
康康,刘文涛,卢炳攀杭州制氧机集团股份有限公司,浙江,杭州,310036 摘要对规范AMSE Ⅷ-2019和GB/T150-2011中的开孔补强方法进行比较，区分不同规范中关于开孔补强相关要求和计算的差异，从而更好的理解标准。
关键词压力容器开孔补强 ASME GB/T150 等面积法分析法前言在工程设备设计中，计算压力容器的开孔补强问题极为常见。
在国标GB/T150和ASME BPVC Ⅷ-1.中，均介绍了压力容器的开孔补强。
本文将对上述标准的中涉及的开孔补强的差异加以讨论，从而更清楚的区分和理解上述标准。
为方便阅读，后续如无特别说明，GB/T150都是指GB/T150-2011《压力容器》1，ASME是指ASME BPVC Ⅷ-1-20192。
开孔补强的计算方法原理GB/T150中，容器本体的开孔及其补强计算，有等面积法和分析法。
ASME BPVC VIII-1卷中，UG篇为等面积法，附录1-7为膜-弯曲应力法，附录1-10是压力面积应力法。
GB/T150和ASME的等面积法均是以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础，即仅考虑壳体中存在拉伸薄膜应力，补偿开孔局部截面的拉伸强度作为补强准则。
3 GB/T150的分析法假定接管和壳体是连续的整体结构，基于塑性极限与安定分析的设计准则，通过保证一次加载时有足够的塑性承载能力和反复加载的安定要求来保证开孔安全。
3 ASME附录1-7中，按照一维梁的理论近似计算0°截面处平均弯曲σb，并将其计算得到的应力归类为一次弯曲应力，要求与近似的平均薄膜应力σm叠加之后不大于1.5[σ]。
浅谈压力容器开孔补强的方法及计算发布时间：2021-08-13T10:44:23.333Z 来源：《科学与技术》2021年4月10期作者：韩秋菊[导读] 本文论述了在压力容器的设计中，采用开孔补强的设计方法，由于开孔补强有很多种，本文对其中几种进行深入的分析比较。
浅谈压力容器开孔补强的方法及计算韩秋菊中石化上海工程有限公司上海 ?200120摘要：本文论述了在压力容器的设计中，采用开孔补强的设计方法，由于开孔补强有很多种，本文对其中几种进行深入的分析比较。
关键词：压力容器，开孔补强，计算1.引言随着工业化的发展，压力容器在化工行业越来越普遍，其安全性也越来越受到重视。
开孔补强计是压力容器设计中必不可少的一部分，压力容器开孔后，不仅整体强度削弱，而且还因为开孔造成的应力集中造成开孔边缘局部的高应力，在制造过程中，开孔部分不可避免的形成缺陷与残余应力，于是，开孔附近就往往成为容器的破坏源,因此，在压力容器设计中必须充分考虑开孔补强问题。
2.开孔补强常用的方法2．1等面积补强法等面积补强法是我国压力容器标准GB150中介绍的一种补强方法。
等面积补强法的原则是：在容器和接管连接处周围补强的截面积等于壳体因开孔所减少的截面积。
这种补强的方法是以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则，故对小直径的开孔安全可靠。
同时该方法比较安全可靠，使用简便，在中低压容器设计中较多采用，这也是我们平时设计中最为常见的一种补强方法。
2．2压力面积补强法压力面积补强法是西德AD压力容器规范中采用的补强方法，它的设计原理和等面积法补强方法相同，不同的是对于壳体补强有效范围规定不同。
压力面积补强法开孔率可达0.8，所以当开孔率超过等面积补强时，可以采用压力面积补强。
经过许多实例考证，由于此法计算结果与实际应力相差较大，所以在设计中此种补强方法并不常见。
浅谈开孔补强的等面积法和压力面积法作者：李兴敏来源：《中国新技术新产品》2015年第12期摘要：本文笔者对压力容器开孔补强的等面积法和压力面积法的补强原理、补强范围、计算过程进行了对比和分析。
关键词：开孔补强；等面积法；压力面积法；补强原理；补强范围；理论分析中图分类号： TQ051 文献标识码：A压力容器是盛装压力介质的密闭容器，被广泛地应用于石油、化工、轻工及医药等工农业生产和人民生活的各个领域。
根据不同的生产用途，压力容器有各种不同的尺寸、容积和形状，可以承受大小不同的压力和不同的温度条件，所盛装的介质可以是不同形态的物料，或者具有特殊的化学腐蚀、易燃、易爆或毒性危害特性的介质。
压力容器的建造和使用涉及生产设备和生命安全，因此，压力容器的合理设计至关重要。
在各行业的压力容器中，由于各种不同的生产需求，压力容器必须安装接管，从而需在容器上开孔。
开孔后，除容器壳体的强度被消弱外，并且由于容器的连续性结构被破坏，在管壳连接处的附近（开孔边缘的附近区域）会产生很高的局部应力，在此区域形成应力集中现象，成为疲劳破坏和脆性裂纹的破坏源。
应力集中有局部性和自限性两个特点，应力值会随着距开孔边缘距离的增大而减弱，因此可以采用在开孔附近局部补强的方法来降低该区域的应力集中，即对各种型式的开孔应进行补强。
本文主要对等面积法和压力面积法两种方法进行分析。
我国GB150、JB4732标准采用的开孔补强计算方法是等面积法，原西德AD规范中的开孔补强方法采用的是压力面积法。
1 补强原理压力容器壳体开孔以后，孔边可引起三种应力：局部薄膜应力（属于一次应力）、弯曲应力（属于二次应力）、峰值应力。
等面积法是以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则。
对孔边缘的二次应力并未校核，是通过限制开孔形状、长短径之比和开孔范围加以考虑，使孔边的局部应力得到约束，对孔边缘的峰值应力问题未加考虑，为此不适用疲劳容器开孔补强。
详解压力容器中开孔补强的一般规定及限制要求作者：顾建美来源：《中国科技博览》2018年第31期[摘要]压力容器为一种具有承载压力的密闭设备，因为其特殊工艺，不可避免的需要在容器上进行开孔，设备上开孔必定会对设备的整体强度进行削弱，并且还会对开孔的边缘产生一定的应力集中。
所以进行开孔补强成为了压力容器设计的一个重要手段，补强有哪些规定以及限制，本文将着重进行解析。
[关键词]压力容器；开孔补强；等面积法；限制因素中图分类号：TH49 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0275-01引言压力容器上的开孔不仅影响结构强度，还会因为接管有着各种载荷所产生的应力、温度应力，以及容器材质和制造缺陷等因素的综合作用，往往是造成容器破坏的根源，所要解决这些问题，就必须了解开孔补强中的规定以及要求。
1.压力容器补强结构解析与一般规定压力容器的补强结构可分为：补强圈搭焊结构和整体补强结构。
1.1 补强圈搭焊结构补强当容器采用补强圈搭焊结构时，其应当符合的基本的条件为，容器壳体名义厚度不得大于38mm；补强圈的材料厚度不得大于1.5倍容器壳体的厚度尺寸；使用低合金钢的标准抗拉强度应当小于540MPa。
若条件许可，优先举荐使用厚壁管代替补强圈进行补强。
当容器为低温压力容器的时候，补强接管应当尽可能采用后壁管进行补强，焊接焊缝应当使用全焊透结构，且焊缝圆滑过渡；带补强板的接管与容器器壁的连接接头应当符合相当于HG/T20583中的G28、G29、G30、G33的要求。
补强板采用与器壁相同的材料，带补强板的结构不得用于容器器壁厚度大于30mm的场合，也不适用于设计温度低于-40°的场合。
带补强圈的接管与壳体的连接，以及补强圈与壳体搭接的角焊接头壳采用GB150中所示结构进行，且接管端部应与容器表面齐平，端部内角应当打磨成R不小于3mm的圆角。
补强圈虽然结构简单，易于加工，但是补强效果较差，补强圈与壳体之间的间隙不可避免，同时虽然补强圈上设有排气孔，但是补强圈结构在最终的热处理后应力缺很复杂。
