关于压力容器开孔补强计算的讨论

关于压力容器开孔补强计算的讨论

a、打开和削弱所需的开口补偿，mm2。B——补强有效宽度,mmDi——壳体内直径,mmE1——ASME规范中的焊接接头系数,开孔不位于焊接接头或虽位于焊接接头上但不位于纵向焊接接头上,取E1=1.00,开孔位于纵向焊接接头上,E1为该纵向焊接接头的实际取值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fr>1.0时,取fr=1.0tr——ASME规范中的壳体开孔处的计算厚度,mm,无论圆筒体的焊接接头系数取值如何,计算取焊接接头系数E=1.00tn——ASME规范中的壳体开孔处的名义厚度,mmδ——壳体开孔处的计算厚度,mmδe——壳体开孔处的有效厚度,mmδet——接管有效厚度,mmδn——壳体开孔处的名义厚度,mmΦ——焊接接头系数d——壳体开孔直径,mm1等面积现行分析为满足工艺操作、容器制造、安装、检验及维修等要求,在压力容器上开孔是不可避免的。容器上开孔后,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补强问题。开孔补强计算,GB150及ASME第Ⅷ卷第一分册均采用“等面积补强”法,该法以受拉伸的开孔大平板作为计算模型,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薄膜应力作为补强准则。当开孔较小时,开孔边缘的局部应力以薄膜性质的应力为主,等面积法是壳体截面因开孔而被削弱,需有补强材料予以等面积补强,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,由补强材料予以补偿。假定开孔可用作补强的总截面积为A′,则应有:A′[σ]t≥A[σ]t(1)即A′≥A下面着重讨论GB150与ASME第Ⅷ卷第一分册(以下简称ASME规范)在开孔补强计算中的一些不同之处,同时假定研究的开孔中心线与相邻开孔中心线距离大于两孔平均直径的2倍。2适用的开孔范围2.1开孔最大直径u对于在圆筒体上开孔:(1)当圆筒内径Di≤60in.(1500mm)时开孔最大直径d≤1/2Di,且d≤20in.(500mm);(2)当圆筒内径Di>60in.(1500mm)时开孔最大直径d≤1/3Di,且d≤40in.(1000mm)。2.2过大的开孔范围同样在圆筒体上开孔:(1)当圆筒内径Di≤1500mm时开孔最大直径d≤1/2Di,且d≤520mm;(2)当圆筒内径Di>1500mm时开孔最大直径d≤1/3Di,且d≤1000mm。从上述定义可以看出,内径Di≤1500mm时开孔最大直径的上限(d≤520mm)与Di>1500mm时开孔最大直径的下限(d>500mm)不一致,由此而产生一些矛盾。在涉外设备设计中,常常遇到设备的内径及开孔的直径都不是公称尺寸,例如在内径Di=1520mm的圆筒上开一直径d=510mm孔,开孔已超出GB150规定的范围,但如在内径Di=1500mm开同样直径的孔,由于开孔直径d≤520mm,则开孔反而未超出GB150规定的范围,这与圆筒内径越大,所允许的开孔直径应较大的原则相悖。建议GB150将适用的开孔范围中对圆筒上开孔规定作如下修改:(1)当圆筒内径Di≤1500mm时开孔最大直径d≤1/2Di,且d≤500mm;(2)当圆筒内径Di>500mm时开孔最大直径d≤1/3Di,且d≤1000mm。3容器开孔准确性分析这里仍以在内径为Di的圆筒体上开一孔(直径d)为例进行说明。如果开孔位于无缝壳体或焊接接头系数为1的容器上,其开孔补强计算采用GB150及ASME第Ⅷ卷第一分册计算的结果近似(如果忽略材料许用应力的差异),但如果容器的焊接接头系数小于1,则两者的计算结果差异较大。下面讨论在焊接接头系数小于1的容器开孔补强问题。3.1开口所需的填充区(1)asme规范规定了打开孔所需的补偿面A=dtr+2tntr(1-fr)(2)(2)焊接接头系数的取值按GB150—1998之8.5.1.1条:A=dδ+2δδet(1-fr)(3)δ=PDi2[σ]tΦ−P(4)δ=ΡDi2[σ]tΦ-Ρ(4)显而易见,用式(3)计算得到的A近似为以式(2)计算得到的A的1/Φ倍(如果忽略材料许用应力的差异)。据前所述壳体截面因开孔丧失的强度,即被削弱的“强度面积”A[σ]t,如开孔不位于焊接接头或虽位于焊接接头上但不位于纵向焊接接头上,无论圆筒体的焊接接头系数取值如何,式(4)中Φ=1.00,这不难理解。若开孔位于纵向焊接接头上,计算开孔所需补强面积式(3),似乎开孔削弱面积A应考虑焊接接头系数的影响,但通过式(1),开孔被削弱的“强度面积”A[σ]t中的强度[σ]t应以[σ]tΦ替代,由于式(1)中等式右边为[σ]t,故A应为AΦ,代入式(3)中,所以无论圆筒体的焊接接头系数取值如何,在进行补强计算时,筒体厚度计算公式(4)中仍应取Φ=1.00。3.2有效修复层在有效补强范围内,开孔可用作补强的总截面积中,GB150与ASME规范仅在A1的计算中有区别。(1)tn选取A1=d(E1t-tr)-2tn(E1t-tr)(1-fr)(5)A1=2(tn+t)(E1t-tr)-2tn(E1t-tr)(1-fr)(6)A1取式(5)与(6)之较大值。(2)开孔现行补模后的加强计算A1=(B-d)(δe-δ)-2δet(δe-δ)(1-fr)(7)B取2d与d+2δn+2δnt之较大值。不难看出,用式(7)计算得到的A1近似为以式(5)或(6)计算得到的A1的1/Φ倍(如果忽略材料许用应力的差异)。也许正是由于以式(3)、式(7)计算得到的A、A1都近似为实际值的1/Φ倍,两相抵销,整个补强计算结果仍然是正确的。这种说法不无道理。但如果补强计算结果需要另加补强圈时,由于A′=A1+A2+A3+A4,那么由此计算得到所需补强圈面积A4为实际值的1/Φ倍,即相当于补强圈拼焊而成,且其焊接接头系数与筒体焊接接头系数一致。补强圈一般无焊缝,特殊情况下补强圈可拼焊而成,但放置方位不允许与开孔处筒体纵向焊接接头一致,故在考虑的补强计算截面上,补强圈厚度是不需考虑焊接接头系数的。通过上述分析,GB150的开孔补强计算结果偏于保守。有些设计人员在进行开孔补强计算时,不管开孔是否位于筒体纵向焊接接头上,开孔补强计算用的焊接接头系数都取与筒体焊接接头系数等同,当Φ<1.0时,这样的开孔补强计算结果是不合适的。4开孔适用范围的扩(1)开孔补强计算,GB150与ASME规范均采用“等面积补强”法;(2)GB150与ASME规范适用的开孔范围有所不同,GB150适用的开孔范围定义中,内径Di≤1500mm时开孔最大直径的上限(