浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计

系数 ; fr — — — 强度削弱系数 , 等于设计温度下接管材 料与壳体材料许用应力之比值 , 当该值 大于 1. 0 时 ,取 fr = 1. 0; I — — —AS M E规范中图 1 2 72 1 或图 1 2 72 2 的阴影
3 王娇琴 ,女 , 1971 年 3 月生 ,工程师 。浙江省宁波市 , 315207。
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 2 1998 《 钢制压 (以下简称 G 力容器 》 B150 ) 、 HG20582 2 1998 《钢制
(以下简称 HG20582 ) 及 化工容器强度计算规定 》 AS ME锅炉及压力容器规范第 Ⅷ 卷第一册《 压力容
当 D i > 1 500mm 时 ,开孔最大直径 d ≤1 / 3D i ,且 d ≤1 000mm 当 D i ≤60 in ( 1 520mm )时 ,开孔最大直径 d ≤1 / 2D i ,且 d ≤20 in ( 508mm ) AS M E 规定 (UG2 36 ) 当 D i > 60 in ( 1 520mm )时 ,开孔最大直径 d ≤1 / 3D i ,且 d ≤40 in ( 1 000mm ) 封头上开孔的要求 : GB150 2 98 规定凸形封头 或球形壳体的最大开孔直径 d ≤1 / 2D i ; 锥壳 (或 锥形封头 ) 的开孔最大直径 d ≤1 / 3D i ; 椭圆形封 头或蝶形封头过渡部分开孔时 , 其孔的中心线宜 垂直于封头表面 。而 AS M E 规范对成型封头及球 形壳体上的开孔经正确补强之后 , 对其开孔尺寸 及位置不加限制 。 2. 2 d /D i > 015 HG20582 中 的 大 开 孔 的 补 强 计 算 适 用 于 δ n - C d 01002 ≤ ≤011, 可用于 ≤018。但须满 δ Di + 2 Di n 足以下 5 个条件 : a. 接管与壳体应采用全焊透结构 ,接管与壳体 连接内外壁应避免尖角过渡 ,而采用圆角过渡 ; b. 接管 、 壳体和补强件的材料常温屈强比 σ σ 应满足 s / b ≤0167。应避免采用标准常温抗拉 强度下限值 σb > 540M Pa的材料 ,如要采用 ,须在 设计和检验等方面做特殊考虑 ; c. 接管 、 壳体和补强件之间的焊缝应进行无 损探伤 ;
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(以下简称 AS 器建造规则 》 ME ) 。 G B150 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 2 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 AS M E 规范均采用等面积法进行开
弧长计算 )应不小于两孔直径之和的两倍 ;
c. 接管公称外径 d0 ≤89mm; d. 推荐不补强接管的外径和最小壁厚规格 ,如
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e. 容器壳体壁厚不小于 38mm; f . 极度 、 高度危害介质的压力容器 ; g. 疲劳压力容器 。 AS M E 对补强件数量和分布方面做了规定 ,
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 GB150 规定
当 D i ≤1 500mm 时 ,开孔最大直径 d ≤1 / 2D i ,且 d ≤520mm
定孔的短径与长径之比应不大于 0. 5; 而 AS ME 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 ≤015; HG20582 适用于 d /D t ≤018; 而 AS M E 适用于 d /D t ≤017。 2. 1 d /D t ≤015 对圆筒上开孔的限制 :
); F — — —应力校正系数 , F = 015 ( 1 + cos2θ f r1 、 f r2 、 fr3 、 fr4 — — — 接管 、 补强元件及其角接头的强度修正
范围内的较大者 )对中心轴的惯性矩 ;
R n — — —接管颈的平均半径 ; S — — —相应材料在设计温度下的许用应力 ; S v、 Sn — — — 分别为在设计温度下壳体和接管材料的 许用应力 ; δ t、 tr、 — — — 壳体的计算厚度 ; trnδ — — 接管的计算厚度 ; t — δ te 、 — —补强元件的厚度或高度 ; r — δ — — 壳体的名义厚度 ; n — δ tj — — —接管的名义厚度 ; nt、 δ — — 壳体的有效厚度 ; e — δ tn 、 — —接管的有效厚度 ; et — θ — — —开孔中心连线与壳体纵轴的夹角 ; σs — — —材料的常温屈服强度 ; σb — — —材料的常温抗拉强度 ; < — — —焊接接头系数 。
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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 AS M E 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
根部 ,即要求具有类似密集补强的特点 ;
c. 当壳体的内径大于 1 524mm ,接管的内径
大于 1 016mm ,并且超过 314 膜应力和弯曲应力的校核 。
Rt 时 ,需要进行薄
3 不需采取措施补强的开孔条件 GB150 规定 ,不另行补强的开孔需满足下列
全部条件 :
a. 设计压力 p≤2. 5M Pa; b. 两相邻开孔中心的间距 (对曲面间距以
HG20583 对开孔补强采用补强圈结构的限
须保证补强所需面积对于通过开孔中心且与容器 表面垂直的各平面均满足要求 , 单个开孔中心线 的每一侧的补强面积应不少于所需补强面积的一 半 ,且应对补强件及其焊接接头的强度进行校核 。 5 开孔补强面积计算 5 11 当 d /D i ≤015 时计算开孔补强面积 当 d /D i ≤015, 由表 1 可知 , GB150 和 AS ME 的开孔补强面积计算基本一致 , 虽然 AS M E 的计 算公 式 中 引 用 了 E1 、fr1 、fr2 、fr3 、fr4 等 系 数 , 但 GB150 的计算公式中的 δ 指的是壳体开孔处的计 算厚度 , 已经考虑了 E1 系数 ; 表 1 中 GB150 的备 注栏内容的实质就等同于考虑了 fr1 、 fr2 、 fr3 、 fr4 等 系数 ; 只是 AS M E 开孔补强面积计算中引入了应 力校正系数 F, 用于补偿相对于容器轴线不同平 面上内应力的变化 , 而 GB150 开孔补强计算中没 有考虑 。故 GB150 规范中的开孔补强计算不能 直接用于非径向接管的开孔补强计算 , 对非径向 接管的开孔补强计算 ,建议采用 HG20582 中非径 向接管的开孔补强计算方法计算 , 此方法考虑了 应力校正系数 。 5. 2 HG20582 规范开孔补强面积计算
d. 此补强方法不宜用于介质对应力敏感的
场合 ;
e. 大开孔应避免用于可产生蠕变或有脉动
载荷的场合 。
AS M E 规范规定对于较大直径开孔 ( 017 ≥
d /D i > 015 )除了应符合上述当 d /D i ≤015 时的规
定外 ,还应符合以下 3 点 :
a. 补强面积较一般开孔要大些 ; b. 对补强线区域的面积 ( p — — —设计压力 ; Rm — — —筒体的平均半径 ;
R nm tn + te 或 16 tn + te
A s — — — AS M E规范中图 1 2 72 1 型式 A 或 B 阴影 线区域 (断面线 )的面积 ; Aσ1 — — —接管上开孔区有效承压金属面积 ; Aσ2 — — —补强金属面积 ; a — — —AS M E规范中图 1 2 72 1 或图 1 2 72 2 中的阴 影线区域面积的中心轴与容器壁内表面 的距离 ; C — — —壳体壁厚附加量 ; C2 — — —接管腐蚀裕量 ; C ′ — — —接管壁厚附加量 ; D i — — — 壳体的内直径 ; d — — —接管内径或开孔直径 ; d0 — — —接管外径 ; d1 、 d2 — — —相邻两开孔的已完工直径 ; E1 — — — 计及开孔是否通过焊接接头而引入的焊 接接头系数 ; e — — —AS M E规范中图 1 2 72 1 或图 1 2 72 2 的阴影 线区域面积的中心轴到壳壁中面处的距 离;
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浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计
王娇琴 3
(中国石化集团宁波工程有限公司 )
摘 要 对规范 GB150、 AS M E及 HG20582 中的开孔补强方法进行了比较 ,介绍了等面积法和压力面积 法两种开孔补强方法 ,讨论了常规规范设计开孔补强的方法 ,提出按国家标准 GB150 设计开孔补强时 , 可以采用行业标准 HG20582 作为参考的设计思路 。 关键词 开孔补强 方法比较 GB150 AS M E HG20582 中图分类号 TQ05113 文献标识码 A 文章编号 0254 2 6094 (2005) 04 2 0248 2 05