等面积法开孔补强计算

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开孔补强等面积法与压力面积法的区别！

开孔补强等面积法与压力面积法的区别！压力面积法是西德AD规范中采用的开孔补强方法，其适用范围可较等面积法大。

当开孔率超出等面积法的适用范围时，HG标准推荐采用该法进行开孔补强计算。

其实，压力面积法与等面积法都是基于静力强度理论，且以壳体截面的承载能力与内压力相平衡为准则的计算方法。

两种计算方法虽然形式不同，但实质是完全相同的。

但是，两者关于壳体的有效补强宽度范围的取法是不同的，压力容器设计人员在进行开孔补强计算的时候也时常会遇到等面积法无法计算的情况，此时，一般都改为分析法进行计算，如若分析法也不适用，则只能用压力面积法进行校核，但时常听到的一种声音就是压力面积法计算不靠谱，在我看来，说的不靠谱确实也是在大多数情况下，压力面积法计算较为激进，不够保守，很有可能会造成补强面积的不够，但在少数情况下，压力面积法计算的可能比等面积法更为保守，此时用压力面积法计算的结果在补强上是靠谱的，其实只需要理解等面积法和压力面积法有效补强范围的规定即可，见下：等面积法：对壳体有效补强面积B取为2倍的开孔直径d，即B=2d，这是以大平板开孔的应力集中衰减范围考虑和确定的。

压力面积法：对壳体有效补强面积取为B=（Dt）^0.5，其中D 为壳体内径，t为壳体厚度，是以结构开孔壳体处结构不连续造成的局部环向薄膜应力的衰减范围考虑和确定的。

由上不难看出，等面积法的壳体有效补强宽度只与开孔直径有关，而压力面积法则是与壳体直径及厚度有关。

因而对于较大直径壳体上较小的开孔接管，压力面积法的有效补强宽度可比等面积法的大得多，即有效补强面积A1部分偏大，会造成所需补强面积较少的情况，此时如若等面积法补强计算不通过的情况下，采用压力面积法则可能通过，这种情况下压力面积法的计算结果就过于激进且不可靠了。

相反，对于较小直径壳体上较大的开孔接管，压力面积法的壳体有效补强宽度可能比等面积法的还小，这时候压力面积法的补强计算就比等面积法的偏保守了，因而对于这种壳体上开孔接管的补强计算，如若采用等面积法无法计算的时候，采用压力面积法是完全可靠且更保守的。

压力容器大开孔补强计算方法实例分析

- 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。

(特种设备)压力容器常用开孔补强方法对比分析

压力容器常用开孔补强方法对比分析压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。

对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。

本文对这两种方法作以比较和分析。

在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。

容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。

因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。

开孔补强基本原理2.1.等面积法该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。

当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力。

等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。

它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。

2.2.分析法这种补强方法是以壳体极限分析为基础的，相对等面积法合理得多，但须受开孔壳体和补强接管的尺寸限制。

这种方法优点是：克服等面积法的缺点，在转角处采用圆滑过渡，减少结构形状的突变，减小应力集中程度。

将补强面积集中在应力最高点，充分利用补强面积，使补强更经济、合理。

对比分析3.1.等面积法等面积法顾名思义：壳体截面因开孔被削弱的承受强度的面积，须有补强材料予以等面积补偿，其实质是壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的“强度面积”A乘以壳体材料在设计温度下的许用应力[σ]t，即A[σ]t，应由补强材料予以补偿，当补强材料与壳体材料相同时，则补强面积就等于削弱的面积，故称等面积法。

开孔补强计算GB150-2011等面积补强法_单孔

接管实际外伸长度
150.00 mm 接管有效外伸长度 h1
18.87 mm
接管实际内伸长度
0.00 mm 接管有效内伸长度 h2
0.00 mm
开孔削弱所需的补强面积 A
A=dδ+2δδt(1-f)
798.8 mm2
壳体多余金属面积 A1
A1=(B-d)(S-δ-C)-2St(S-δ)(1-f)
180.2 mm2
钢板负偏差及腐蚀裕量 C
1.0 mm
接管外径 d ’
89.0 mm
接管外径 d (最大尺寸）
89.0 mm
接接管材料
20
[σ] 接管许用应力
[σ]t
131.00 MPa
补强圈材料
—
补 131.00 MPa
补强圈许用应力 [σ]rt
131.00 MPa
接管焊接接头系数 φ1 接管厚度 St 管接管负偏差及腐蚀裕量 C1 接管强度削弱系数 f
551 mm2
结：
补强满足要求
0.9 4.00 mm
1.0 mm 1
强补强圈外径 d2 补强圈厚度 S1t 补强圈负偏差及腐蚀裕量
圈 C2 补强圈强度削弱系数 fr
178 mm 12 mm 1 mm 1
开孔直径 di
89.0 mm 补强区有效宽度 B
178.00 mm
壳体计算厚度 δ
8.976 mm 接管计算厚度 δt
1.422 mm
设计条件
简图
设计压力 Pc
0
1.05 MPa
设计温度 t
200 ℃
椭圆形封头长短轴之比过渡区半径与球面半径之比壳体内直径Di
开孔处焊接接头系数 φ

等面积补强法在内压容器开孔补强中的应用和讨论

1 开孔直径 dop 讨论
用等面积补强法进行补强设计时，首先要确定开孔大小。壳体开孔大小不是制造过程中开孔加工的尺寸，而是壳体开孔区中并未被壳体外的其他材料充分补偿而实际削弱掉的相对于计算厚度的当量孔径，用 dop 表示。
开孔大小跟开孔位置和方向密切相关。壳体开孔示意图见图 1。壳体开孔补强区（开孔 - 接管（凸缘））有 3 种情况：（1）在筒体纵剖面上，接管（凸缘）轴线与壳体轴线相垂直的偏心接管（凸缘），如图 1 中管口 a 、b；（2）在筒体纵剖面上，接管（凸缘）轴线与壳体轴线平行的偏心接管（凸缘）, 如图 1 中管口 c、g、h；（3）在筒体纵剖面上，接管（凸缘）轴线与壳体轴线成夹角的斜接管（凸缘），如图 1 中管口 d、e、f。
收稿日期：2018-04-03 作者简介：弃全英（1972— ），女，山西太原，工程师，学士，1996 年本科毕业于太原理工大学化工设备与机械专业，现从事化工非标设备设计方面工作，E-mail：qqy423@。
2018 年 7 月
弃全英:等面积补强法在内压容器开孔补强中的应用和讨论
关键词压力容器，开孔，等面积法，补强，接管，壳体，补强面积
文章编号：1005-9598(2018)-S1-0104-03 中图分类号：TQ050.2 文献标识码：A
因为工艺操作、制造、检修等要求，需要在压力容器壳体上开孔，进行工艺管道连接、检修人孔、手孔设置、安全附件设置等。开孔使壳体承受压力载荷的截面积减小，导致一次总体薄膜应力在开孔周边的分布状况发生改变，加之局部薄膜应力附加弯曲应力和峰值应力，所以对开孔区要考虑强度补偿问题，即开孔补强。

(整理)SW6开孔补强计算书.

2.235
度
接管实际外伸长度
100
mm
接管材料名称及类型
20(GB8163),管材
接管实际内伸长度
10
mm
接管焊缝系数
0.85
接管腐蚀裕量
2
mm
补强圈材料名称
凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离
100
mm
补强圈外径
mm
补强圈厚度
mm
接管厚度负偏差C
0.5
mm
补强圈厚度负偏差C
mm
接管材料许用应力[σ]t
接管腐蚀裕量
2
mm
补强圈材料名称
凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离
mm
补强圈外径
mm
补强圈厚度
mm
接管厚度负偏差C
0.625
mm
补强圈厚度负偏差C
mm
接管材料许用应力[σ]t
130
MPa
补强圈许用应力[σ]t
MPa
开孔补强计算
壳体计算厚度δ
1.25
mm
接管计算厚度δt
0.021
mm
补强圈强度削弱系数frr
528.6
264.3
接管多余金属面积A2(mm2)
82.09
82.09
补强区内的焊缝面积A3(mm2)
25
25
补强圈面积A4(mm2)
0
0
A1+A2+A3+A4(mm2)
635.7
371.3
计算截面的校核结果
合格
合格
结论:补强满足要求。
开孔补强计算
计算单位
荆门炼化工程设计有限公司
接管:A2,φ25×4

压力容器等面积法补强面积计算范围的探讨

A brief comment on the current status of oil drilling rigs in China is given, and a detailed description of Model ZJ45L mechanical drive drilling rig developed on the basis of latest advanced techniques are made. Model ZJ45L rig has obvious advantages in the aspects of modularized design, integrated seal combined chain case transmission, derrick, sub structure and pneumatic control, but improvement is still needed. The general orientation of old rigs upgrading and new rigs development is indicated.
nt 接管名义厚度;
C 腐蚀余量。
参考文献
1 GB 150 1998 钢制压力容器. 1998: 74~ 78 2 王志文. 化工容器及设备. 北京: 化学工业出版社,
1990: 103~ 105 3 刁玉玮, 王立业. 化工设备机械基础. 大连: 大连理工
大学出版社, 1989: 190~ 195 ( 本文编辑朱必兰)
主题词压力容器补强面积计算
等面积补强法是压力容器常规设计中开孔补强设计的主要方法之一, 由于该方法对开小孔计算安全可靠而被广泛采用。目前大学化工机械专业也主要介绍这种补强法, 但不同的资料介绍的补强面积计算法及补强范围的确定方法不同[ 1~ 3] 。笔者就 GB 150 1998 钢制压力容器!及现行大学教材中的补强面积计算及补强范围试谈自己的看法。

ASME计算表 V1.0-补强计算

二、开孔补强计算（1）相关系数校正系数 F 系数 fr2=Sn/S 系数 E1 （取值1或0.85）壳体厚度 t （名义厚度减腐蚀裕量）接管厚度 tn (名义厚度减腐蚀裕量） 1 1.00 1 5.0 9.0 （2）需要的壁厚壳体计算厚度 tr mm（in) 系数 fr1=Sn/S且不大于1（用于插入式接管）或1（安放式接管）系数 fr3=Sn或Sp/S 系数 fr4=Sp/S 1.00 1.00 1.00
6.000
0.00 1.0000 0.85 插入式 SA-105 138.00 0.00 1.0000 10.00 1.00 73.50 350 0 8 补强元件焊脚高度内伸接管焊脚高度 mm（in) mm（in) 6 0 补强圈材料名称补强圈材料许用应力 Sp 补强圈外径 Dp 补强圈厚度 te 补强圈厚度负偏差 C1f Mpa(psi) mm（in) mm（in) mm（in) SA-515 Gr.70 138.00 180 6 0
内压圆筒开孔补强计算表（等面积法）
一、已知条件计算压力 P 设计温度 T 壳体材料材料许用应力取值温度壳体型式（开孔的位置）设计温度下壳体材料许用应力 S 壳体内半径 R 壳体开孔处名义厚度 t 壳体材料厚度负偏差 C1s 壳体腐蚀裕量 C 壳体焊接接头系数 E 接管类型（插入式/安放式）接管材料设计温度下接管材料许用应力 Sn 接管材料厚度负偏差 C1n 接管腐蚀裕量 Cn 接管的名义厚度 tn 接管焊接接头系数 En 接管的内半径 Rn 接管实际外伸高度接管实际内伸高度外伸接管焊脚高度 mm（in) mm（in) mm（in) mm（in) Mpa(psi) mm（in) mm（in) mm（in) Mpa(psi) mm（in) mm（in) mm（in) mm（in) ℃ Mpa(psi) ℃ 1.00 100.00 SA-516 Gr.70 100 圆形筒体 138.00 400.00 说明： 1、计算表中红色字体为输入值，其余为计算后输出值。 2、表中材料的性能值是取值温度下的性能值，可以在性能表中根据插值法计算后修改。 3、ASME材料性能表可进行修改。

蜂窝夹套开孔补强计算GB150-1998等面积补强法单孔

补强圈面积 A4 结论：
-74.32 mm2
[σ] 接管焊接接头系数 φ1 接管厚度 St 管接管负偏差及腐蚀裕量 C1 接管强度削弱系数 f 开孔直径 di 壳体计算厚度 δ 接管实际外伸长度接管实际内伸长度开孔削弱所需的补强面积 A 壳体多余金属面积 A1 接管多余金属面积 A2 角焊缝金属面积 A3 A1+A2+A3 补强校核 A＜A1+A2+A3
过程设备设计计算
孔补强计算接管:N10,N11（φ57×3.5）设计条件计算压力 Pc 设计温度 t 壳体形式壳椭圆形封头长短轴之比蜂窝 — 0 0.35 MPa 148 ℃ 计算单位上海日泰医药设备工程有限公司计算方法：GB150-1998 等面积补强法单孔简图
过渡区半径与球面半径之比 _
壳体内直径Di 开孔处焊接接头系数 φ 壳体材料 [σ] 壳体许用应力 [σ]t 体开孔处名义厚度 S 钢板负偏差及腐蚀裕量 C 接管外径 d ’ 接管外径 d (最大尺寸）接接管材料 [σ] 接管许用应力
t
1130 mm 1.00 S30408 135.00 MPa 134.00 MPa 3.00 mm 0.5 mm 57.0 mm 57.0 mm S30408 135.00 MPa 补
t
补强圈材料补强圈许用应力 [σ]r 补强圈外径 d2 强补强圈厚度 S1t
补强圈负偏差及腐蚀裕量 C2
— — MPa 0 mm 0 mm 0 mm 1 100.00 mm 0.08 mm 14.12 mm 0.00 mm 66.7 mm2 66.5 mm2 68.4 mm2 6.13 mm2 141.01 mm2
126.00 MPa 1.0 3.50 mm 1.0 mm 圈 1 50.0 mm 1.17 mm 80.00 mm 0.00 mm

压力管道三通和开孔补强的结构与计算方法

压力管道三通和开孔补强的结构与计算方法1 三通或直接在管道上开孔与支管连接时，其开孔削弱部分可按等面积补强原理进行补强，其补强应按下列公式计算：式中：A1——在有效补强区内，主管承受内压所需设计壁厚外的多余厚度形成的面积(mm2)；A2——在有效补强区内，支管承受内压所需最小壁厚外的多余厚度形成的截面积(mm2)；A3——在有效补强区内，另加的补强元件的面积，包括这个区内的焊缝截面积(mm2)；A4——主管开孔削弱所需要补强的面积(mm2)。

2 拔制三通补强(图2)补强结构的补强计算应满足本规范式(1-1)的要求，其中的A3应按下式计算：3 整体加厚三通(图3)补强结构可采用主管或支管的壁厚或主、支管壁厚同时加厚补强，补强计算应满足本规范式(1-1)的要求，其中的A3应是补强区内的焊缝面积。

图2 拔制三通补强do-支管外径(mm)；di-支管内径(mm)；Do-主管外径(mm)；Di-主管内径(mm)；H-补强区的高度(mm)；δ0-翻边处的直管管壁厚度(mm)；δb-与支管连接的直管管壁厚度(mm)；δ′b-支管实际厚度(mm)；δn-与主管连接的直管管壁厚度(mm)；δ′n-主管的实际厚度(mm)；F-补强区宽度的1／2，等于di(mm)；H0-拔制三通支管接口扳边的高度(mm)；r0-拔制三通扳边接口外形轮廓线部分的曲率半径(mm) 注：图中双点划线范围内为有效补强区。

图3 整体加厚三通注：图3中，除A3外其余符号的含义与图2相同。

4 在管道上直接开孔与支管连接的开孔局部补强(图4)结构，开孔削弱部分的补强计算应满足本规范式(1-1)的要求，其中的A3应是补强元件提供的补强面积与补强区内的焊缝面积之和，补强的材质和结构还应符合下列规定：图4 开孔局部补强注：图4中，除A3外其余符号的含义与图2相同。

（1）补强元件的材质应和主管道材质一致，当补强元件钢材的许用应力低于主管道材料的许用应力时，补强元件面积应按二者许用应力的比值成比例增加；（2）主管上邻近开孔连接支管时，其两相邻支管中心线的距离不得小于两支管直径之和的1.5倍，当相邻两支管中心线的距离小于2倍大于1.5倍两支管直径之和时，应采用联合补强件，且两支管外壁到外壁间的补强面积不得小于主管上开孔所需总补强面积的1／2；（3）开孔应避开主管道的制管焊缝和环焊缝。

压力容器大开孔补强计算——等面积法、分析法和有限元应力分析法

压力容器大开孔补强计算——等面积法、分析法和有限元应力分析法【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。

压力容器开孔补强中分析法、等面积法及压力面积法的对照

（１）当圆筒内径Ｄ．１５００ｍｍ，ｄｏｐ＜Ｄ．＿／２且ｄｏｐ＜５２０ｍｍ，圆筒内径Ｄ＞１５００ｍｍ，ｄｏｐ＜＿Ｄｉ／３且
ｄ（．。＜１＿０００ｍｍ；
（２）凸形封头或球壳的开孔的最大直径ｄ。Ｄ．／２（ｄｏ。为开孔直径，Ｄ．为壳体的公称直径）；
比较大。由于补强圈并未和壳体、接管形成整体，之间存在着一层静止的间隙，传热效果差，容易引起温差应力，补强圈和壳体相焊时，此处
ｌ等面积法
该方法是基于采用无限大平板开小孔的原理为基础的，仅考虑容器壳体的一次拉伸薄膜应力，以补强壳体的一次总体平均应力为补强准则。适用于压力作用下壳体和平封头的圆形、椭圆形或长圆形开孔，当在壳体开椭圆形或长圆形
承压设备壳体开孔以后，一般需设置接管和人孔，但孔边存在三种应力：① 局部薄膜应力。
孑Ｌ时，孔的长径与椭圆之比应不大于２，且适用范围：
壳体开孔后，开孔边缘附近应力分布很不均匀，在离开边缘较远处应力几乎没有变化，增大的应
压力容器设计技术方面工作。 Nhomakorabea ４一 ■ 论文广场

使用SW6—2011计算压力容器开孔补强的几个问题

使用SW6—2011计算压力容器开孔补强的几个问题作者：司文华来源：《山东工业技术》2013年第10期【摘要】开孔补强是压力容器设计中必不可少的一部分，在压力容器结构设计前需要使用SW6-2011过程设备强度计算软件进行强度计算。

为保证计算的准确性，必须透彻理解SW6-2011软件计算的理论基础，但在实际工作中，一些设计者常常会忽视标准规范中的某些说明或者对计算理论的理解不够透彻而导致取值错误，直接影响了设备的安全可靠性。

本文列举了几个在日常工作中经常遇到的在使用SW6-2011计算压力容器开孔补强时需要注意的问题及通常的处理办法，提醒设计者在设计工作中引起足够重视。

【关键词】开孔补强；压力容器；SW6-20110 引言为满足工艺或结构需要，在压力容器设计中开孔是必不可少的。

容器开孔接管后会引起开孔或接管部位的应力集中，再加上接管上会有各种外载荷所产生的应力及热应力，以及容器材料和制造缺陷等各种因素的综合作用，使得开孔和接管附近就成为压力容器的薄弱部位。

虽然标准和规范对设计和计算都作了较为详细的规定，但在使用SW6-2011过程设备强度计算软件计算开孔补强时需要注意对标准规范中有关定义的理解和把握，灵活运用软件，必要时对有关数据进行调整，才能得到正确的结论，保证设备的安全可靠性。

1 补强方法及适用范围1.1 计算时应注意的问题在使用SW6-2011计算开孔补强之前要先判断接管的直径和壁厚是否满足GB150.3-2011中6.1.3不另行补强的最大开孔直径[1]的要求，满足要求的可以不进行计算，没有进行判断直接输入数据的，生成计算书会显示满足不另行补强的最大开孔直径的要求，不予进行计算。

还需要注意的是单个孔开孔补强计算合格，然而该孔的有效补强区B=2d范围内还有其他开孔，形成孔桥的，则应按孔桥处理。

在计算两相邻开孔中心的间距或者任意两孔中心的间距时对曲面间距应按弧长计算，按照弦长或中心线垂直距离计算是不正确的。

开孔与开孔补强解读

3.2单个开孔补强的等面积法适用范围：
3.3补强的结构形式 1）补强圈补强
接管壁厚选用，特别是小接管的壁厚选用常出现不合理的现象。对于要求接管与壳体的焊接接头采用全焊透的结构时，接管壁厚应取≥1/2壳体壁厚或取接管壁厚≥6mm两者的较小值。对于坡口熔敷金属量大的焊接接头，当壳体壁厚大于16mm时接管壁厚应大于8mm；当壳体壁厚较大（壁厚≥ 20mm）时，接管与壳体的连接焊缝宜采用双面坡口。对于低温压力容器，与壳体相焊的接管壁厚应不小于5mm，其中DN≤50的短接管宜采用锻造的厚壁管或异径管。
开孔与开孔补强
Gபைடு நூலகம்150.3-2011第6节
1.概述 2.补强计算适用范围 3.等面积补强 4.圆筒径向接管开孔补强设计的分析法
1.概述为满足工艺操作、容器制造、安装、检验和维修等的要求，在压力容器上开孔是不可避免的。容器开孔以后，不仅整体强度受到削弱，而且还因开孔引起的应力集中造成开孔边缘局部的高应力。因此压力容器设计中必须充分考虑开孔的补强问题。
压力容器开孔以后，可引起三种应力： a.局部薄膜应力压力容器壳体一般承受均匀的薄膜应力，即一次总体薄膜应力。壳体开孔以后，使壳体上开孔所在截面的承载面积减少，使该截面的平均应力增大。开孔边缘的应力分布的特点是应力分布不均匀。在离开孔较远处，应力几乎没有变化，而增大的应力则集中分布在开孔边缘。由此引起很大的薄膜应力，即所谓的局部薄膜应力。
b.弯曲应力容器开孔以后，一般总需设置接管或人孔等，即有另一个壳体与之相贯，相贯的两个壳体在压力载荷作用下，各自产生的径向膨胀（直径增大）通常是一致的。为使两部件在连接点上变形相协调，则必然产生一组自平衡的边界内力。这些边界内力在壳体的开口边缘及接管端部主要引起局部的弯曲应力，属于二次应力。

等面积法开孔补强

输出筒体开孔处计算厚度8.1601封头开孔处计算厚度（80%直径范围内）7.3275接管内径606接管计算厚度 2.9178筒体厚度附加量 3.3封头厚度附加量 5.38接管厚度附加量 6.75筒体有效厚度10.7封头有效厚度10.62接管有效厚度23.25强度削弱系数fr0.9418d op619.5B1239h1116h20对于筒体处开孔:壳体开孔所需补强面积A5077.3A11566.6A24442.5A3100另需补强面积-1032对于封头处开孔:壳体开孔所需补强面积A4559.2A12030.8A24442.5A3100另需补强面积-2014输入mm计算压力mm设计温度mm筒体名义厚度mm封头名义厚度mm筒体开孔处材料许用应力mm封头开孔处材料许用应力mm接管材料许用应力mm筒体内直径mm接管外径mm接管名义厚度（当接管材料和开孔处材料相同时取1）焊接接头系数mm腐蚀余量mm板材负偏差mm封头成形减薄率mm接管壁厚负偏差K1(标准椭圆形封头)接管实际外伸高度mm2接管实际内伸高度mm2焊接高度mm2mm2mm2 (负值代表无需补强)mm2mm2mm2mm2mm2 (负值代表无需补强)入··········································································································································································································································。

浅谈开孔补强的等面积法和压力面积法

浅谈开孔补强的等面积法和压力面积法作者：李兴敏来源：《中国新技术新产品》2015年第12期摘要：本文笔者对压力容器开孔补强的等面积法和压力面积法的补强原理、补强范围、计算过程进行了对比和分析。

关键词：开孔补强；等面积法；压力面积法；补强原理；补强范围；理论分析中图分类号： TQ051 文献标识码：A压力容器是盛装压力介质的密闭容器，被广泛地应用于石油、化工、轻工及医药等工农业生产和人民生活的各个领域。

根据不同的生产用途，压力容器有各种不同的尺寸、容积和形状，可以承受大小不同的压力和不同的温度条件，所盛装的介质可以是不同形态的物料，或者具有特殊的化学腐蚀、易燃、易爆或毒性危害特性的介质。

压力容器的建造和使用涉及生产设备和生命安全，因此，压力容器的合理设计至关重要。

在各行业的压力容器中，由于各种不同的生产需求，压力容器必须安装接管，从而需在容器上开孔。

开孔后，除容器壳体的强度被消弱外，并且由于容器的连续性结构被破坏，在管壳连接处的附近（开孔边缘的附近区域）会产生很高的局部应力，在此区域形成应力集中现象，成为疲劳破坏和脆性裂纹的破坏源。

应力集中有局部性和自限性两个特点，应力值会随着距开孔边缘距离的增大而减弱，因此可以采用在开孔附近局部补强的方法来降低该区域的应力集中，即对各种型式的开孔应进行补强。

本文主要对等面积法和压力面积法两种方法进行分析。

我国GB150、JB4732标准采用的开孔补强计算方法是等面积法，原西德AD规范中的开孔补强方法采用的是压力面积法。

1 补强原理压力容器壳体开孔以后，孔边可引起三种应力：局部薄膜应力（属于一次应力）、弯曲应力（属于二次应力）、峰值应力。

等面积法是以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则。

对孔边缘的二次应力并未校核，是通过限制开孔形状、长短径之比和开孔范围加以考虑，使孔边的局部应力得到约束，对孔边缘的峰值应力问题未加考虑，为此不适用疲劳容器开孔补强。

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图 6-2 相邻开孔
6
图 6-3 多个开孔
4
GB 150.3—2010
图 6-1 有效补强范围（编辑有错误仍需修改）
6.3.5.1 有效补强范围 a）有效宽度 B 按式（6-6）计算，取二者中较大值；
B
=
⎪⎧2d op ⎪⎩⎨dop +
2δ n
+
2δ nt
································（6-6）
b）有效高度按式（6-7）和式（6-8）计算，分别取式中较小值。外伸接管有效补强高度：
2
GB 150.3—2010
θ——两相邻开孔中心线与壳体轴线之夹角，（°）；
φ——焊接接头系数（按 GB150.1 规定）。
ρ ——开孔率， ρ = d / D ； λ ——参数， λ = ρ D / δe = d / Dδe 。
6.3 单个开孔补强的等面积法
6.3.1 单个开孔的适用范围
在等面积法的适用范围（见 6.1.1）内，满足下列条件的多个开孔均按单个开孔分别设计：
筒体轴线；对于封头开孔，该截面通过封头开孔中心点，沿开孔最大尺寸方向，且垂直于壳体表面。
对于圆形开孔 dop 取接管内直径加两倍厚度附加量，对于椭圆形或长圆形孔 dop 取所考虑截面
上的尺寸（弦长）加两倍厚度附加量。
6.3.3.2 内压容器
壳体开孔所需补强面积按式（6-1）计算：
A = dopδ + 2δδet (1 − fr )
a）壳体上有两个开孔，开孔中心间距（对曲面间距以弧长计算）不小于两孔直径之和；壳体
上有三个或以上开孔，任意两孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）不小于两孔直径之
和的 2 倍；
b）平封头（平板）上有多个开孔，任意两开孔直径之和不超过封头直径的 0.5，任意两相邻
开孔中心的间距不小于两孔直径之和。
6.3.2 补强结构型式与补强件材料
面积不得减少。
对于接管材料与壳体材料不同时，引入强度削弱系数 fr，表示设计温度下接管材料与壳体材料许用应力的比值，当该比值大于 1.0 时，取 fr=1.0。 6.3.3 壳体开孔补强
6.3.3.1 开孔补强的计算截面
所需的最小补强面积在下列规定的截面上求取：对于筒体开孔，该截面通过壳体开孔中心点与
δ
=
pc Ri
2[σ ]t φ − 0.5 pc
································（6-3）
开孔位于上述范围以外时，式（6-1）中 δ 按式（5-4）计算。
6.3.3.3 外压容器壳体开孔所需补强面积按式（6-4）计算：
[ ] A = 0.5 dopδ + 2δδet (1 − fr )
A——开孔削弱所需要的补强截面积，mm2； B——补强有效宽度，mm；
1
GB 150.3—2010
C——厚度附加量（按 GB150.1 规定），mm； Cs—— 圆筒厚度附加量； Ct ——接管厚度附加量； D ——圆筒中面直径，mm； Di——圆筒内直径，mm； Do——平盖直径，mm； dop——开孔直径，mm； d——接管中面直径，mm； do——接管外直径，mm； fr——强度削弱系数； g ——接管补强系数； h —— 圆筒补强系数； h1——外伸接管有效补强高度，mm； h2——内伸接管有效补强高度，mm； K ——等效总应力集中系数；
a）
当圆筒内径
Di≤1500
mm
时，开孔最大直径
dop≤
1 2
Di ，且
dop≤520
mm；当圆筒内径
Di
＞1500
mm
时，开孔最大直径
dop≤
1 3
Di
，且
dop≤1000
mm；
b）
凸形封头或球壳开孔的最大允许直径
dop≤
1 2
Di
，开孔边缘距封头中心线不宜超出
0.4Di
的范围；
c）
锥形封头开孔的最大直径
壳体开孔满足下述全部要求时,可不另行补强：
a）设计压力 p≤2.5 MPa；
b）两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和；对于三个或以
上相邻开孔，任意两孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的 2
倍；ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
c）接管外径小于或等于 89 mm；
d）接管壁厚满足表 6-1 要求。
注：对安放式接管取 fr=1.0。
A2——接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积（按式 6-11），mm2；
5
带格式的: 突出显示带格式的: 突出显示
GB 150.3—2010
( ) ( ) A2 = 2h1 δ et − δ t fr + 2h2 δet − c2 fr
······························ （6-11）
直径。 c）开孔位于椭圆形封头中心 80%直径范围内，式（6-1）中 δ 按式（6-2）计算：
δ
=
pc K1Di
2[σ ]tφ − 0.5 pc
································（6-2）
式中： K1——椭圆形长短轴比值决定的系数，由表 5-2 查得；开孔位于上述范围以外时，式（6-1）中 δ 按式（5-2）计算。 d）开孔位于碟形封头球面部分内，式（6-1）中 δ 按式（6-3）计算：
A3——焊缝金属截面积（见图 6-1）,mm2。若 Ae≥A，则开孔不需另加补强；若 Ae＜A，则开孔需另加补强,其另加补强面积按式（6-12）计算：
A4 ≥ A − Ae
······························（6-12）
式中： A4——有效补强范围内另加的补强面积（见图 6-1），mm2。 6.4 多个开孔补强的等面积法 6.4.1 壳体多个开孔补强 a）当任意两个相邻开孔的中心距小于两孔直径之和，而使其补强范围彼此重叠时（见图 6-2），
在通过两孔中心点连线的壳体法截面内采用联合补强。联合补强的总面积应不小于各孔单独补强所需面积（按 6.3.3 和 6.3.5 计算）之和，且两孔之间的补强面积不小于两孔所需总补强面积的 50%。在计算联合补强面积时，任何截面不得重复计入。多个开孔中心连线在同一直线上时，按逐次配对的开孔处理，重叠部分的面积应按该相邻两孔的直径比分摊。 b）对三个及以上开孔，若两两相邻开孔的中心距小于该两孔直径之和，且采用联合补强时（见图 6-3），则这些相邻开孔的中心距应至少等于其平均直径的 4/3 倍。任意相邻两孔之间的补强面积应至少等于该两孔所需总补强面积的 50%。若任意两相邻开孔中心距小于其平均直径的 4/3 倍，则该两孔之间的任何金属均不得用作补强，这些开孔必须按 c）的方法进行补强。 c）任何数量并以任意方式排列的相邻开孔，均可作为一个假想孔（其直径包括所有靠近的开孔）进行补强。假想孔的直径不得超过 6.1.1 规定，所有接管金属均不得用作补强。 d）圆筒上一系列规则排列的开孔，其每个开孔又无法进行单独补强时，应采用 6.4.2 的方法补强。
6.3.2.1 补强圈补强
补强圈与接管、壳体的焊接结构参见附录 D（资料性附录）。采用该结构补强时，应符合下列
规定：
a）钢材的标准抗拉强度下限值 Rm< 540 MPa； b）补强圈厚度小于或等于 1.5δn； c）壳体名义厚度 δn < 38 mm。若条件许可，推荐以厚壁接管代替补强圈进行补强。
表 6-1
mm
接管外径
25
32
38
45
48
57
65
76
89
接管壁厚
≥3.5
≥4.0
≥5.0
注：1 钢材的标准抗拉强度下限值 Rm≥540 MPa 时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构型式。 2 表中接管壁厚的腐蚀裕量为 1 mm，需要加大腐蚀裕量时，应相应增加壁厚。
≥6.0
6.2 术语、定义和符号 6. 2.1 GB150.1 通用要求中界定的术语和定义适用于本章。 6.2.2 符号
内伸接管有效补强高度：
h1
=
⎪⎧ ⎨
dopδ nt
⎪⎩接管实际外伸高度
································（6-7）
h2
=
⎪⎧ ⎨
dopδ nt
⎪⎩接管实际内伸高度
6.3.5.2 补强面积
在有效补强范围内，可作为补强的截面积按式（6-9）计算：
································（6-8）
K m ——等效薄膜应力集中系数；
p——设计压力，MPa； pc——计算压力（按第 3 章），MPa； R ——圆筒中面半径，mm； Ri——球壳或半球形封头内半径，椭圆形封头当量球面或碟形封头球面内半径，mm； r—— 接管中面半径，mm； S1——管孔的轴向节距，mm； S2——孔带的单位长度（见图 6-5、图 6-6），mm； S3——管孔的对角向节距，mm； SII——等效薄膜应力，MPa； SIV——等效总应力，MPa； δ——壳体开孔处的计算厚度，mm； δe——壳体开孔处的有效厚度，mm； δet——接管有效厚度，mm； δn——壳体开孔处的名义厚度，mm； δnt——接管名义厚度，mm； δp——平盖计算厚度，mm； δt——接管计算厚度，mm； ν1——纵向排孔削弱系数； ν2——当量纵向排孔削弱系数； ν3——对角向排孔削弱系数； [σ]t——设计温度下壳体材料的许用应力（按第 GB150.2 规定），MPa； Rm——钢材标准抗拉强度下限值，MPa； ReL——钢材标准屈服强度，MPa；
dop≤
1 3
Di

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