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- 43 -第6期压力容器大开孔补强计算方法实例分析王嘉瑶，翟新锋（中泰创新技术研究院有限责任公司， 新疆 乌鲁木齐 830000）[摘 要] 在压力容器设计中，经常面临着大开孔补强问题。
在壳体上开孔影响其承压能力，且开孔的大小、尺寸受到诸多限制，补强方法也多种多样。
本文总结了常用的几种开孔补强计算方法，如等面积法、分析法和压力面积法，并通过对某φ2000卧式容器开φ800孔的实例进行计算和分析，有助于设计人员更好地理解和应用这几种补强方法。
[关键词] 压力容器；大开孔；等面积法；分析法；压力面积法作者简介：王嘉瑶（1998—），女，湖北人，本科学历，在中泰创新技术研究院有限责任公司从事设备设计工作。
1 前言大开孔一般被定义为超过限制值的开孔。
大开孔会削弱壁厚的强度，且孔边缘薄膜应力和弯曲应力都较大，因此最常用的等面积法在大开孔上一般不能使用。
化工装置中，常使用带水包的压力容器，利用油水密度差进行油水分离。
而水包的公称直径普遍和设备直径较为接近，即d/D 较大，这时就需要考虑大开孔补强。
本文用三种方法对一个设计压力0.42MPa ，设计温度60℃，内径φ2000，C1=0.3mm ，C2=2mm 的卧式容器筒体上开φ800孔的设计实例进行计算和简单分析比较。
图1 圆筒开孔补强等面积法与分析法适用范围图2 算例示意图2 等面积法等面积法就是用补强材料在壳体开孔附近一段距离内对开孔削弱的承载面积给予等面积补偿。
它的理论基础仅考虑了壳体中存在的拉伸薄膜应力，类似双向受拉伸开有小孔的无限大平板上孔边的应力集中，所以对小直径的开孔安全可靠。
除此之外，还具有长期的使用经- 44 -论文广场石油和化工设备2021年第24卷验，开孔较大时只要对其开孔尺寸和形状等给予一定的配套限制，也能保证安全，是一般开孔的首选算法。
此方法适用于在受压筒体或者平封头上开圆孔、长短径比小于等于2的椭圆或长圆形孔。
因为本次开孔接管垂直于筒体，所以满足这部分要求。
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.。
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。
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`。
压力容器圆筒大开孔补强计算方法发布时间：2021-01-11T03:40:42.338Z 来源：《中国科技人才》2021年第1期作者：袁甜[导读] 由于受到工艺技术操作的影响，压力容器圆筒施工中，极易产生壳体大开孔问题。
压力容器壳体大开孔，主要是由于开孔接管位置应力复杂，导致承压能力下降。
中石油华东设计院有限公司北京分公司摘要：由于受到工艺技术操作的影响，压力容器圆筒施工中，极易产生壳体大开孔问题。
压力容器壳体大开孔，主要是由于开孔接管位置应力复杂，导致承压能力下降。
受到开孔接管结构内压作用，将会影响壳体和接管链接位置结构几何，此时会导致相关区域高应力集中，从而引发较多安全问题。
为了避免出现上述问题，此次研究主要探讨分析压力容器圆筒大开孔补强计算方法，希望能够对相关人员起到参考性价值。
关键词：压力容器；圆筒大开孔；补强计算现阶段，由于多数工程复杂，并且特殊性工艺，部分压力容器需要开孔接管，使原容器应力状态发生变化。
针对柱壳容器，在开孔之后，接管弹性约束会阻碍孔口椭圆化，造成容器主管开孔周边为薄膜应力状态，干扰环向力和轴向力，从而产生扭矩力和弯矩力。
接管轴向力可以应用到容器孔上，此时容器开孔孔边会受到横向剪力影响，容器孔口边缘还会影响接管管壁周边变形，从而遭受反作用力。
所以必须按照应用标准，分析开孔补强处理工艺。
1、常见圆筒开孔补强计算方法1.1等面积法对于等面积法来说，属于美国、日本和中国标准应用的计算方法。
处理原则在于对开孔局面截面拉伸强度进行补偿。
补强处理只是针对静强度问题，只需要计算开孔边缘拉伸强度补强，没有注重开孔边缘弯曲应力、峰值应力。
圆筒大开孔之后，孔口边缘会产生弯曲应力。
圆筒大开孔后，孔口边缘会产生较大弯曲应力，因此无法计算大开孔补强。
1.2压力面积法在应用压力面积法时，可以在有效补强范围内，计算由于内压作用产生荷载和受压元件的抗拉载荷力。
补强计算只是针对开孔部位拉伸强度，计算形式不同。
支管：φ219×6判断是否可以使用焊接支管支管材料支管许用应力MPa 支管厚度减薄附加量C1t mm 支管厚度附加量Ct mm 支管焊接接头系数Ej 支管轴线与主管轴线的夹角α1°补强板材料与主管材料的许用应力比fr 非圆形开孔长直径d1mm 支管计算厚度tt mm 开孔补强所需的面积A mm 2补强区有效宽度B mm 主管外侧法向补强的有效高度h1mm 主管多余金属面积A1mm 2支管多余金属面积A2mm 2焊缝金属面积A3mm 2
除补强圈以外的多余金属面积A1+A2+A3mm
2判断是否使用补强圈补强补强板的外径Dr mm 补强板名义厚度tr mm 补强板的材料补强板许用应力MPa 补强板厚度减薄附加量C1r mm 补强圈金属面积A4mm 2总的多余金属面积A1+A2+A3+A4mm 2
3147.880.51.821937.7624.75380.03162.361218560.39计算条件
2587.49Q235B
1200.50.9需要使用补强圈
444Q235B
合格可以使用焊接支管208.81417.62120补强计算结论
0.8
901
开孔补强计算。
