补强计算

压力容器大开孔补强计算【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。

这些边界内力主要是通过在开孔的边缘或者接管的端部引起二次应力从而使其两部分在连接点上的变形能够相互协调。

非径向接管的开孔补强计算产品名称：图号：本计算依据HG 20582-1998《钢制化工容器强度计算规定中的非径向接管的开孔补强计算》的规定，进行非径向接管的开孔补强计算一、参数输入计算压力Pc=0.6Mpa 壳体或封头内直径Di=510mm 设计温度下壳体或封头材料的许用应力[σ]t=130Mpa 设计温度下接管材料的许用应力[σ]t t =130Mpa 接管内直径di=52mm接管材料的强度削弱系数fr=1.0承受内压所需要的圆筒厚度1.18mm承受内压所需的接管厚度0.12mm二、和圆筒轴线相交90度截面的分析：开孔直径d=147mm 应力校正系数F=0.5mm 焊接接头系数φ1=1.0接管在补强区有效范围内的名义厚度δnt=4mm 接管的厚度附加量Ct=1.8mm 所需要补强的截面积86.7mm 2壳体或封头在开孔处的名义厚度δn=10.0mm 接管的厚度附加量1.8mm补强区平行于壳体或封头器壁方向294mm的有效范围宽度175mmB1、B2中较大值294mm1383mm 补强区有效范围平行于接管轴线方向的外侧长度14.9mm补强区有效范围平行于接管轴线方向的内侧长度h2=0mm62.0mm 16.0mm1461.3mm而A1+A2+A3>A,所以不需另行补强.三：平行于圆筒轴线截面的分析：开孔直径d=45mm 应力校正系数F=1mm 焊接接头系数φ1=1.0接管在补强区有效范围内的名义厚度δnt=4mm 接管的厚度附加量Ct=1.8mm 所需要补强的截面积mm 2mm 接管的腐蚀裕量C2t=1.0mm 补强区平行于壳体或封头器壁方向B1=2d=90mm的有效范围宽度B2=d+2δn+2δnt=73mm B1、B2中较大值B=90mm壳体或封头承受内压或外压所需要计算厚度之外在补强区有效范围以内能起补强作用的多余截面积396.9mm 2的外侧长度mm补强区有效范围平行于接管轴线方向的内侧长度h2=0mmmm 2补强区有效范围内除已记入A1、A2、之外，能起补强作用的焊缝面积16.0mm 2474.9mm 2而A1+A2+A3<A,所以对于平行于圆筒轴线的截面，补强面积不足需另行补强.4mm53.1mm 2396.9mm 214.962.0mm 2A3=16.0mm2mm 2而A1+A2+A3>A,所以不需另行补强.。

碳纤维结构补强基本计算：轴心抗压强度：f cc′= f c′·[-1.254+2.254(1+7.94f l′/ f c′)1/2-2 f l′/ f c′]f cc′:补强后混凝土强度（设计强度）f c′:补强前混凝土强度f l′:混凝土所受的围束力f l′= f ls′(箍筋所提供的围束力)+ f lgf′（碳纤维所提供的围束力）f ls′=A sh·f y/S h·Df lgf′=2ntE gfεgf/DD :柱断面直径S h: 钢筋间距f y：钢筋屈服强度t: 单层碳纤维贴片厚度n: 碳纤维贴片层数ε：碳纤维极限应变gfE gf：碳纤维弹性模数剪力补强V n(剪力设计值)= V c+ V s+ V cfV c(砼抗剪强度)= 0.53( f c′)1/2·A eV s(箍筋抗剪强度)=πA v f y D′φs/2S (圆柱)= n′A v f y D′φs/S(矩形柱) D′：箍筋所围区域的直径φs= 1.27n′：横向箍筋的个数V cf(碳纤维抗剪强度)=πn t E cfεcf D′φcf/2 (圆柱)= 2n t E cfεcf D′φcf (矩形柱)φcf = 1εcf = 0.008 (围束)εcf = 0.004 (U形)弯距补强碳纤维在张力侧：△F = Af·f cf = t f b E cfεcfεcf = 0.012碳纤维在压力侧：△F = Af·f cf = t f b E cfεcfεcf = 0.0035 且纤维外侧需围束一层。

压力容器卷筒大开孔补强计算方法摘要：压力容器是能够承载一定压力的气体或液体容器，大开孔的压力容器为保证其抗压能力，需在开孔接管位置进行补强。

本文主要对压力容器大开孔补强的相关计算方法进行了分析，并对其进行比较，以找出最适合的补强方法。

关键词：压力容器；大开孔补强；计算方法随着工程技术的发展，对压力容器的要求也越来越高，压力容器常需要进行大的开孔接管工序，而在压力容器上进行开孔操作就会破坏原来的应力状态，使压力容器内的力平衡遭到破坏，因而为了恢复容器内应力平衡状态，需要对容器开孔位置进行补强，而对于补强的计算主要有以下几种方法。

1.压力面积法压力面积法是通过使圆筒、补强原件和接管有效截面产生的承载力与有效补强范围内产生的载荷相等来实现补强的一种计算方法，这种方法在计算时主要考虑补强材料薄膜应力即可，并没有涉及到容器开孔孔边弯曲强度问题，这一方法的计算方式虽然和以往等面积方法有所不同，但原理是一样的。

其计算通式是（Ap/Aσ+1/2）p≤[σ]，其中Ap是指压力容器有效补强范围内的压力作用面积，而Aσ是指补强元件、接管等有效承载面积，p是容器圆筒的设计压力，[σ]则是指所应用的补强材料的许用应力，从上面的计算式就可以看出这一方法的计算是建立在补强截面薄膜应力计算的基础上，而不涉及孔边弯曲应力，因而在实际应用中，常会因实际应力与计算结果相差太大而失去补强的目的，因此这种方法在实际工程中应用较少。

2.ASME计算法鉴于压力面积法在弯矩问题上的缺点，ASME方法就在压力面积法上增加了弯矩作用计算，在理论上就是在计算薄膜应力的同时增加弯矩应力计算，因而其计算通式是，Sb=，M=（/6+RRne）p，其中As是指开孔区域内的横截面面积，而I是指As面积中所对应的中性轴惯性矩，a是指中性轴和容器壁表面之间的距离，Rm是指课题平均的半径长度，Rnm是指接管颈平均的半径长度，e是指As面积中性轴和壳壁中面处之间的距离，由上面的计算式可以看出该计算方法对薄膜应力的计算和压力面积方法相同，并对补强范围进行了调整，然后在这一基础上增加了弯矩计算，弯矩应力主要包括两个部分，一是在实施开孔操作后在孔边缘产生的轴向拉力，二是开空前在开孔区域内压位置上差异不同所带来的弯矩，这一种计算方法较压力面积法更为进步，考虑了开孔位置边缘弯矩应力问题。

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。