压力管道壁厚及开孔补强计算

- 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

圆筒形压力容器上切向接管开孔补强计算　

中国寰球化学工程公司　曲支海　

，＼　

７　

本文　绍一种圆筒形压力容器上切向接管开孔打　｝强计算方法。它是在ＡＤ规范Ｂ目客器径向开孔补强甘算的基　础上发展至　切向开孔的补强计算。车计算方涪已经在工程设计甲使用多年，具有足够的精确性和可靠性．　

关于圆筒形压力容器上切向接管开孔的补　

强计算方法，在我国现行的压力容器设计规范　

Ｉ中还没有。在国外的压力容器设计规范中，也　

只有原西德构蒸汽锅炉规范（ＴＲＤ）列入了切　

向接管开孔补强计算方法。　

本汁算方法是由Ｗｉｎｎ．Ｌ．根据承压面积　

求削弱系数的原理（ＡＤ—Ｍｅｒｋｂｌａｔｔｅｓ　Ｂ９圆筒　

壳上径向接管开孔补强计算）发展到圆筒壳体　

上切向接管开孔的补强计算。其理论基础虽与　

原西德ＴＲＤ３０１中的计算方法相同，但还有一　

定的差别。ＴＲＤ　３０１中切向接管开孔，补强计　

算方法是采用斜接管的计算公式，仅在ＡＤ—　

Ｍｅｒｋ　ｂｌ￣ｔｔｅｓ　Ｂ９的径向接管开孔补强计算公　

式中引入一个接管夹角：而本文所介绍的计算　

方法完全是针对切向接管开孔导出其求削弱系　

数的公式。　

下面具体介绍Ｗｉａｎ．Ｌ．关于圆筒形壳体　

上切向接管开孔补强计算方法。　

公式中所用符号的定义：　

容器外径，ｍｍ，　

Ｄｒ一容器内径，ｍｍ，　

Ｄ　——容器中径，ｍｍ，　

矗　——容器中半径，ｍｍ，　

ｓ　——容器在接管切向开孔处的壁厚，　

ｍｉｌｌ，　以——切向接管开孔处的接管外径。　

１　ｍＫｑ，　

ｄ　——切向接管开孔处的接管中径。　

ｍｉｌｌ’　切向接管开孔赴的接管中半径，　

ｍｉｌｌ’　

１６一　切向接管开孔处的接管壁厚，　

ｌｌｌｍ，　容器的设计压力，　

容器材料的屈服强度，　

ｓ——容器材料的强度安全系数，　

Ｓ＝１．５，　

容器在切向接管开孔处的削弱系　

数，　

容器开孔匿在有效补强范围内的　

金属面积（容器和接管的），ｍｉｌｌ　，　

口——容器接管开孔区在有效补强范围　

内容器和接管内的承压面积，　

金属管道组成件耐压强度计算

1.1 一般规定

1.1.1 本章所列的计算方法适用于工程设计中所需的管道组成件的设计计算。对于已标明公称压力管道组成件不必再按本章进行计算。

1.1.2 标准的对焊管件的耐压强度，应符合本规范第5.4.2条第5款的规定。

1.2 直管

1.2.1 承受内压直管的厚度计算，应符合下列规定：

1 当直管计算厚度ts小于管子外径Do的1/6时，直管的计算厚度为式(1.2.1-1)计算的值。设计厚度tsd应按式(1.2.1-2)计算。所选用管子的最小壁厚为计算厚度与机加工深度和腐蚀或磨蚀附加量的和。

𝑡𝑠=𝑃𝐷𝑜2([𝜎]𝑡𝐸𝑗𝑤+𝑃𝑌) (1.2.1-1)

𝑡𝑠𝑑=𝑡𝑠+𝐶 (1.2.1-2)

𝐶=𝐶1+𝐶2 (1.2.1-3)

Y系数的确定，应符合下列规定：

当ts＜Do/6时，按表1.2.1选取；

当ts≥Do/6时，按下式计算：

𝑌=𝐷𝑖+2(𝐶2+𝐶3)𝐷𝑖+𝐷𝑜+2(𝐶2+𝐶3) (1.2.1-1)

式中： ts —— 直管计算厚度(mm)；

P —— 设计压力(MPa)；

Do —— 管子外径，取管子外径的名义值(mm)；

Di —— 管子内径，取材料标准或技术规定中允许的最大值(mm)；

[σ]t —— 在设计温度下材料的许用应力(MPa)；

Ej —— 纵向焊接接头质量系数，按3.2.5条的规定取值；

W —— 焊接接头高温强度降低系数，按第3.2.5A条的规定取值； tsd —— 直管设计厚度(mm)；

C —— 厚度附加量之和(mm)；

C1 —— 厚度减薄附加量，包括机械加工深度C3及材料厚度负偏差之和(mm)；

C2 —— 腐蚀或磨蚀附加量(mm)；

C3 —— 机械加工深度，包括机械加工表面、开槽或螺纹深度。带螺纹的管道组成件，取公称螺纹深度；对未规定公差的机械加工表面或槽，取规定切削深度加0.5mm。

1 第十二章 压力容器开孔与接管

一. 重点

1. 壳体开孔的压力特点

2. 开孔接管的应力集中系数的定义

3. 开孔补强的目的

4. 开孔补强的结构及方法

5. 等面积补强的原则

6. 等面积补强计算面积有哪些?

二. 壳体上开孔的原因

三. 壳体上开孔后产生的问题

1. 开孔后,造成壳壁不连续,在孔边缘产生应力集中

2. 接管后,壳体与管的结构不连续,产生的附加弯应力

3. 壳体接管的拐角处,由于r引起的局部应力.

结果:使孔附近的应力比薄膜应力大5-6倍,产生疲劳破坏和脆裂

12.1 容器壳体开孔时的应力分析

一.平板开小圆孔的应力分析

分析条件: 板长,宽>>孔径2a

载荷q//作用于板上

1. 单向拉伸时的应力分析

(1) 孔区附近的应力解 (12-1)式

利用弹性力学理论解知

(2) 孔边缘处的应力特点: ①r=a时 孔边缘处的应力









)2cos21(00





qrr

②r=a时 孔边缘处的周向应力分布特点:

qqqq

3

20









方向的时，垂直于当方向的时，平行于、当

③r>a时



随r的增大而迅速减小.由(12-1)式可知.

2. 双向拉伸时的应力分析:

二.薄球壳开小孔的应力分析 2 1.分析对象:

在开孔区域的壳近似板较小较大球半径









qqqDR

21

2.孔区附近的应力解

利用qqq

21代入(12-4)可知(12-5),即

011

2222























rr

ra

qra

q

3. 孔边缘处的应力特点:①当r=a时,孔边缘应力









max200





qrr

②孔边缘应力



=孔区域薄膜应力q的2倍.

四. 圆筒壳开小孔

1.分析对象: k较大, D/

较小, )2(2

21

qq

2.应力解: 利用

212qq

代入(12-4)可知(12-6)

3.孔边缘处的应力特点: (1)当r=a时