非径向接管的开孔补强计算

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。

圆筒体上非径向接管的开孔补强计算薛爱芳;雷威跃;王笑真【摘要】就圆形筒体上非径向接管产生椭圆形孔的补强计算方法进行分析比较,归纳出简单合理的解决方法.【期刊名称】《化工机械》【年(卷),期】2014(041)005【总页数】3页(P615-617)【关键词】简体;接管;开孔;等面积补强【作者】薛爱芳;雷威跃;王笑真【作者单位】三门峡化工机械有限公司;三门峡化工机械有限公司;洛阳绿景环保科技有限公司【正文语种】中文【中图分类】TQ050.2化工设备设计时，为满足介质的进出或安装检修的要求，需要在壳体上开孔，这将造成器壁强度削弱，产生应力集中，几乎在每台设备的计算中都会出现开孔补强计算。

圆筒体上接管的方向有3种：径向、斜向、切向，斜向和切向接管会在筒体上产生非圆形开孔。

在各种补强法中最常见、使用频率最高的是等面积法。

等面积补强法以补偿开孔局部的拉伸强度为补强准则[1]，其理论依据是无限大平板上开小圆孔的孔边应力分析作为依据，未涉及开孔边缘的应力集中问题，仅就开孔截面的边缘应力进行考虑，开孔区局部高应力的安定问题是通过限制开孔形状、长短径之比和开孔率间接加以考虑的，使孔边的局部应力得到一定的控制[2]，所以，当在壳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[3]。

1 工程实例某设备公称直径1 800mm，壳体厚度10mm，筒体上设置距设备中心670mm 的切向接管，规格φ480mm×10mm，材料为Q345R，加φ1 200mm×14mm 的补强圈。

该设备在2008年曾经设计并经强度计算合格， 2009年实施《固定式压力容器安全技术监察规程容规》[4]，2011年发布GB 150.1～GB 150.4-2011[3]，在2012年重新复用设计时发现开孔补强计算结果与原结果不同。

设备设计参数如下：设计压力 1.6MPa设计温度100℃主要受压元件材料 Q345R腐蚀裕量 0mm接头系数 12 计算过程同一设备设计了两次，分别按GB 150的新、旧版本为计算依据。

1、主管计算厚度T sT s :计算厚度；mm 0.414244186Do :外径；mm76［σ］t :在设计温度下材料的许用应力；MPa 137E j ：焊接接头系数；1P：设计压力；MPa1.5Y：系数；按表6.2.1选取。

0.4T n :主管名义厚度；mm 42、支管计算厚度t st s :计算厚度；mm0.207122093d o :外径；mm38［σ］t :在设计温度下材料的许用应力；MPa 137E j ：焊接接头系数；1P：设计压力；MPa1.5Y：系数；按表6.2.1选取。

0.43、开孔补强计算（1）主管开孔所需补强面积 AA：主管开孔所需补强面积；m㎡14.45712209d 1:扣除厚度附加量后主管上斜开孔的长径；mm 34.9管道开孔补强计算[])(2PY E PD T j t os +=σ)sin 2(1a d T A s -=ad d sin /1=[])(2PY E Pd t j t os +=σd:扣除厚度附加量后支管的内径；mm 34.9a：主管轴线与斜管轴线的夹角；90（2）开孔补强有效补强范围有效补强宽度B=2d 169.8B=d 1+2(2t n )-2(2C 1+2C 2)41.1取较大值B mm 69.8有限补强高度h=2.5(t n1-C 1-C 2) 3.875t n :管子名义厚度；mm3C 1：厚度负偏差；mm0.45C 2:腐蚀余量；mm1(3)补强范围内主管多余金属补强面积A 1A 1=（B-d 1）(T n -T s -C 1-C 2)74.53787791(4)补强范围内支管多余金属补强面积A 2A 2=2h(t n -t s -C 1-C 2)/sina10.40730378(5)角焊缝金属补强面积A 3A 3=H 236H：角焊缝高度；mm64、结论120.9451817A=14.45712209结论：合格注：按GB50316-2000《工业金属管道设计规范》(2008版)计算A 1+A 2+A 3=ad d sin /1`。

开孔补强章节一、孔和孔桥补强计算的基本内容s。

--可不考虑孔间影响的的相邻两孔的最小节距（P10）S。

=dp +2√（Dn+δ）δ[d]—未补强孔的最大允许尺寸1 单孔和孔桥单孔：S≥S。

孔桥：S<S02 补强（1）S≥S。

d≤[d] 不需补强（2）S≥S。

d> [d] 按单孔补强（仅适用于d/Dn<0.8, 且d<600mm的径向孔径）补强条件是A1+A2+A3+A4≥A 且补强所需面积的2/3应分布在孔边1/4孔径的范围内（3）S<S0d<d。

按孔桥补强计算孔桥减弱系数，或在满足11.5.2 a、b的条件下，用管接头补强(4）S<S0 一孔d>[d] 在满足11.5.2 a、b的条件下，按单孔补强计算，补强后该孔在该孔桥中按无孔处理。

二孔d>[d] 按13章处理。

二、本章节的主要修正内容关于未减弱集箱筒体的内径Dn和补强管接头内径dn定义的修正原版标准中，补强计算的锅筒筒体、集箱筒体、补强管接头内径Dn 均以名义内径表示。

集箱筒体Dn=Dw-2δ补强管接头dn=dw-2δ1新版修改为集箱筒体Dn=Dw-2δy补强管接头dn=dw-2δ1y原因：由于名义壁厚中包含了壁厚的附加量，而通常集箱筒体和管子的尺寸控制点在外径（外径管），壁厚附加量的损耗会使集箱筒体、管子的实际内径大于其名义内径，而使原先按名义内径得出的一些计算结果偏于不安全。

故新版标准用有效壁厚代替上式中的名义壁厚，即剔除壁厚附加量的影响。

三、孔和孔桥章节的具体修改内容（一）单孔的补强1 未补强孔的最大允许直径(图19) （P41）修改1：k计算中，未减弱集箱筒体Dn的修正系数k k= PDn / (2[б]-P)Sy横坐标DnSyGB9222-88 无论是锅筒筒体或集箱筒体，Dn 指名义内径，GB9222(新版)：锅筒筒体同上，集箱筒体Dn=Dw-2S 修改为Dn=Dw-2δy2 孔的补强结构形式和未补强孔的概念（1）孔的补强结构形式（P43）修改2：增加了新版（a）的结构，并规定只适用于额定压力不大于2.5MPa的锅炉，同时a的结构形式适用于不受热锅筒筒体。

压力容器审图中图纸常见错误（反应釜）1．压力容器类别错误，主要未按多腔容器划类原则进行。

例如：有一符合监察条件的反应釜，内筒最高工作压力为0.052MPa(400mmHg),最高工作温度：120℃，介质：易燃、易爆、中度危害。

夹套：最高工作压力为0.6MPa(表压)，最高工作温度165℃，介质：饱和水蒸汽。

定出容器类别：一类。

内筒实际上不成类别，只需按夹套来确定类别。

2．由于类别的错误，带来一系列的错误，如：无损检测的比例、焊接接头系数等错误。

3．技术特性表中主要受压元件材质缺少或者是少装量系数、操作容积等数据。

4．内筒与夹套焊接，异种金属（如碳钢与不锈钢焊接）未采用高铬镍焊条，仅采用普通不锈钢焊条，如：A102。

二、三压力容器不要用酸性焊条和酸性焊剂。

5．技术要求中锻件级别不正确，出现Ⅰ级锻件。

6．立式反应釜水压试验时，注明是卧试，应为立试。

7．水压试验时，内筒为不锈钢材料未在技术要求中说明控制水中的氯离子含量不超过25mg/l。

8．技术要求中关于搅拌试运转未按照HG/T20569-1994执行。

9．水压试验时，轴封处泄漏量的数据不正确。

10．内筒介质为易燃、易爆特性，轴封形式采用填料密封，未采用机械密封。

11．设备法兰的公称压力等级错误，密封面形式错误。

12．设备法兰的紧固件选用错误。

（螺栓、螺母、垫片）13．管法兰的公称压力等级错误，密封面形式错误。

14．管法兰的紧固件选用错误。

（螺栓、螺母、垫片）15．技术要求中缺少设备法兰与内筒焊接C缝的无损检测要求。

16．技术要求中设备法兰与内筒焊接C缝的无损检测方法不正确，如奥氏体焊缝采用MT，应该为PT。

17．介质为易燃、易爆的，未注明防爆电机和设备静电接地的要求。

18．夹套上端缺少直径不小于10mm的排气口。

19．管口方位图上少定位尺寸或定位角度。

20．夹套与内筒焊接节点图标注不全面，扳边圆弧太小。

21．缺少非径向焊接节点图。

22．不等厚对接焊接节点图削边长度不够，CS、LAN为1：3；SS为1：4或1：5。

浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计压力容器的开孔补强设计是压力容器设计的重要环节。

目前,国内压力容器按常规规范设计开孔补强时的常用标准主要有GB150—1998《钢制压力容器》（以下简称GB150)、HG2058-1998《钢制化工容器强度计算规定》(以下简称HG20582)及ASME 锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第一册《压力容器建造规则》(以下简称ASME）. GB150是强制性国家标准,是设计的最低要求,超出GB150开孔范围时，可以采用HG20582计算并遵循HG20583—1998《钢制化工容器结构设计规定》(以下简称HG20583）规定结构进行设计。

压力容器开孔补强设计的方法有很多，如等面积法、压力面积法、安定性分析法、极限分析法、PVRC法、增量塑性理论方法及实验屈服法等等.鉴于软硬件条件的限制和从设计成本考虑,国内一般采用等面积法和压力面积法进行开孔补强设计，上面提及的设计规范就是采用这两种方法设计开孔补强的.1。

各规范开孔补强方法的理论基础GB150和ASME规范均采用等面积法进行开孔补强设计,而HG20582中的补强计算采用的是压力面积补强法。

压力面积法与等面积法的实质是一致的,都是从确保容器受载截面的一次平均应力(平均强度）在一倍许用应力水平的计算方法，都未计及开孔边缘的局部应力和峰值应力对开孔的作用，只是两种方法对壳体有效补强范围的确定上有所不同；在补强金属面积的配置上，压力面积法比等面积法更具有密集补强的特点,对缓和接管根部应力集中的作用较大。

2各规范开孔补强方法的适用范围比较GB150和ASME规范均适用于壳体上开圆形、椭圆形(或类似形状）或长圆形孔.GB150规定孔的短径与长径之比应不大于0。

5;而ASME规定当短径与长径之比小于0. 5时,应增强短径方向的补强。

各规范对开孔直径的相对大小均有限制：GB150适用于d /D t ≤0.5；HG20582适用于d /Dt ≤0.8；而ASME适用于d /D t ≤0。