高压容器开孔补强的计算

高压容器开孔补强的计算

0开孔数据的现行分析化肥行业的生产离不开高压装置。由于结构要求，在设计容器时，必须打开和连接容器中的孔和连接。容器上开孔,不但会削弱容器的强度,而且在开孔的附近会造成很高的局部应力,因此必须妥善解决开孔后的补强问题。当前,由于设备趋于大型化和设计、制造水平的提高,开孔的直径越来越大,而开孔破坏了原有的应力分布并引起了应力集中、强度削弱,因此必须妥善解决开孔后的补强问题。设备筒体的端部法兰结构如图1所示,一侧用螺纹法兰连接一进料口。由于结构需要,在端部法兰上开了一个通孔和连接螺纹法兰的平台,使原来筒形的端部法兰变为不规则的筒体。而在此处开孔补强的计算国家标准和行业标准都没有相应的算法。本文结合GB150—1998《钢制压力容器》和HG20582—1998《钢制化工容器强度计算规定》中的开孔补强的算法,提出一种更加切合实际的计算方法(优化的算法)并加以验证。1打开和修复孔的开口和范围1.1开孔的形状大小等面积补强法的原则是在容器和接管连接处周围补强的截面积等于壳体因开孔所减少的截面积。其适用范围是:(1)壳体上的开孔应为圆形、椭圆形和长圆形,当在壳体上开椭圆形孔(或类似形状)或长圆形孔时,孔的长径与短径之比应不大于2;(2)对于圆筒,当其直径Di≤1500mm时,开孔最大直径d≤Di/2,且d≤250mm;当直径Di>1500mm时,开孔最大直径d≤Di/3,且d≤1000mm;(3)对于凸形封头或球壳的开孔最大直径d≤Di/2;(4)对于锥壳(或锥形封头)的开孔最大直径d≤Di/3。1.2接头、壳体、现行材料要求压力面积法允许压力试验时最高应力的局部区域产生可达1%的塑性变形。其适用范围是:(1)可用于开孔内径与壳体内径之比不超过0.8;(2)接管与壳体采用全焊透结构,接管与壳体连接内、外壁避免尖角过渡,应采用圆角过渡;(3)接管、壳体、补强件的材料其常温屈强比≤0.67,应避免采用标准常温抗拉强度下限值>540MPa的材料,如要采用须在设计和检验方面作特殊考虑;(4)接管、壳体、补强件之间的焊缝应进行无损探伤;(5)此补强方法不宜用于介质对应力敏感的场合;(6)大开孔应避免用于可产生蠕变或有脉动载荷的场合。2通过加工平台桶的开口计算2.1补薄板前开孔图2中的x-x剖面和y-y剖面分别为图1所示端部法兰开孔处局部剖面图。由图2中yy面可以看出,由于连接平台的存在,端部法兰变为在外圆处缺一弓形面积的不规则圆筒。要计算该处的开孔补强,为了安全起见,通常的算法是将不规则圆筒转化成当量计算圆筒,即在削薄后的最薄点作一假圆(图1和图2),以假圆为当量计算外径来计算开孔的补强问题。这样就可以用GB150—1998《钢制压力容器》和HG20582—1998《钢制化工容器强度计算规定》中的开孔补强的方法来计算。但是该方法存在不足:首先,一部分的开孔面积没有计算在内;其次,一部分的壳体参与补强的面积没有计算在内。如果只用传统方法计算会产生以下几点问题:(1)当开孔直径不大时,一部分参与补强的面积没有被计算而造成材料的浪费;(2)当开孔直径较大时,由于有一部分参与补强的面积没有被计算,而造成实际的开孔补强已经足够而计算无法通过。在实际的设计和生产过程中,端部法兰的外径是由设备结构、规格预先决定的,因此在开小孔时,结构尺寸所确定的壁厚有足够的多余面积补强开孔。但如果开孔过大,则会出现局部开孔不够的问题。2.2加强面积的计算优化的计算方法与传统的计算方法相似,也是将不规则圆筒转化为当量的计算圆筒,但是它不是以假圆为当量计算外径,而是将所有参与开孔的补强面积全部计算。如图2所示,在y-y面上,假圆外的作为可补强的壳体面积和开孔面积都应当计算在内;在x-x面上,以假圆为基础,在有效的补强范围内,将多余的可补强的壳体面积折算成x-x面上壳体的当量厚度进行计算。可以看出:优化的计算方法也是基于等面积法的计算方法,而且是对其在不规则圆筒开孔补强计算的补充,因此它的适用范围和等面积法应该是一样的。3材料及结构尺寸计算举例说明:设计压力Pc=31.4MPa,设计温度T=200℃,筒体公称直径DN1600mm,开孔公称直径DN200mm,腐蚀裕度C2=2mm,焊接接头系数Υ=1,材料20MnMo锻件。筒体结构尺寸确定的厚度250mm,为安装螺纹法兰从外侧削薄厚度30mm。由上述条件可以查询资料得出:筒体内径Di=1600mm;接管直径di=193mm;钢材的厚度负偏差C1=0;强度削弱系数fr=1;筒体开孔处名义厚度δn=220mm;在设计温度下的许用应力[σ]t=177MPa。3.1应力校正系数f因为GB150—1998第8章的计算方法仅对图2中的x-x面进行计算,所以为了更准确地计算此次开孔,将参照HG20582—1998第6章和ASMEⅧ第2册D-5章,引入应力校正系数F来计算x-x面和y-y面之面积。3.1.1不同加强范围b此截面是平行于筒体轴线的截面,因此其应力校正系数F=1。开孔时需要补强的面积AX:补强范围B:取大值,则B=637mm在筒体削薄后最薄点作一假圆,以假圆直径为筒体外径来计算开孔时在补强范围内筒体能提供补强的多余面积A1X:在补强范围内接管能提供补强的多余面积A2X:能起补强作用的焊缝面积A3X:由此可以看出:在x-x面上补强面积不足。3.1.2筒体削薄地层的加强分析此截面是垂直于筒体轴线的截面,因此其应力校正系数F=0.5,有关计算公式同x-x面。开孔时需要补强的面积AY:补强范围B:取大值,则B=637mm在筒体削薄后最薄点作一假圆,以假圆直径为筒体外径来计算开孔时在补强范围内筒体能提供补强的多余面积A1Y:在补强范围内接管能提供补强的多余面积A2Y:能起补强作用的焊缝面积A3Y:由此可以看出:在y-y面上补强条件满足。通过上述计算可以看出:在筒体削薄后的最薄点作一假圆,以假圆直径为筒体外径来计算开孔补强时,由于有一部分参与补强的面积没有被计算,造成了开孔补强的计算无法通过。3.2采用优化的计算方法进行计算3.2.1y-y面的段式围此截面是平行于筒体轴线的截面,因此其应力校正系数F=1。以假圆为基准,在有效的补强范围内,将多余的可补强的壳体面积折算成x-x面上壳体的当量厚度进行计算。补强范围B:取大值,则B=637mm在y-y面上补强范围的角度α:R的范围是在筒体外径和有效厚度对应的直径之间(见图3),分别计算后,角度α为17.54°和19.33°;而当量厚度对应的直径是在外径和假圆对应的直径之间,这两者分别计算后,角度α为17.54°和18.07°。因此,角度取值α=18°在y-y面上在补强范围内的多余的可补强的壳体面积S(C为削薄处的宽度):图3为计算中各角度的图例示意图。解方程:S假———在y-y面上在补强范围内的以假圆外径为直径的补强面积,mm2;R当———在x-x面和y-y面上的当量半径,mm。在x-x面上壳体的当量厚度δ当:开孔时需要补强的面积AX:以当量厚度在补强范围内筒体能提供补强的多余面积A1X:在补强范围内接管能提供补强的多余面积A2X:能起补强作用的焊缝面积A3X:由此可以看出:在x-x面上补强条件满足。3.2.2财产现行对材料补短板加固的要求此截面是垂直于筒体轴线的截面,因此其应力校正系数F=0.5。开孔时需要补强的面积AY:补强范围B:取大值,则B=637mm补强范围内多余的可补强壳体面积S:在补强范围内筒体能提供补强的所有多余面积A1Y:在补强范围内接管能提供补强的多余面积A2Y:能起补强作用的焊缝面积A3Y:由此可以看出:在y-y面上补强条件满足。经计算(见表1)可看出:采用了优化后的算法,原先计算无法通过的开孔现在可以通过了。3.3验证计算方法压力面积法在设计上适用范围是,即。本例中,与标准规定的适用范围的差距分别达到7%和4%,因此,在实际计算的时候此种方法是不适用的而在此仅用此方法对上文提出的算法做一个验证,因此先记录下实际情况与标准规定值的差距,然后再用压力面积法对上文的方法进行验证。(1)以假圆为外径即验证传统的计算方法。壳体有效的补强宽度b:取大值,则b=660mm补强有效范围内的压力面积Ap:筒体上开孔区有效承压金属面积Aσ0:接管上开孔区有效承压金属面积Aσ1:补强金属面积Aσ2:开孔区内所有的有效承压金属面积Aσ:与要求差距为8.2%。(2)以当量厚度对应的直径为外径即验证优化的计算方法。有效的补强宽度b:取大值,则b=660mm补强有效范围内的压力面积Ap:筒体上开孔区有效承压金属面积Aσ0:接管上开孔区有效承压金属面积Aσ1:补强金属面积Aσ2:与要求差距为3.4%。从以上的验证计算可以看出:无论是传统的计算方法还是优化的计算方法都无法通过压力面积法的验证。优化算法与要求的差距为3.4%,由于采用的算法不同,而且在适用范围上也存在了7%和4%的差距,因此可以认为这3.4%的差距是误差级的。优化算法可以采用,而传统算法与要求的差距为8.2%,则相差太大,传统算法不可采用。4在实际零件中的应用从例题中可以看出优化的计算方法让原本没有参与补强的面积参与补强,使得用传统计算方法无法计算通过的开孔最终通过了开孔计算。在实际的设计过程中,端部法兰开孔连接螺纹法兰非常常见。当遇到此类问题时,如果是新设计的工程项目,则从工作效率(优化的算法只有手工计算和自己编写计算说明书)和实际零件加工成本(由于补强不足所增加的成本仅比原先增加不到10%,而且如果事先能考虑到这些情况,那么这部分的成本是计入报价的)的角度考虑,最好还是选用传统的计算方法;如果是在设计过程中由于各种原因修改了管口而导致传统计算方法无法计算通过时,那么可以先用优化的计算方法再计算一遍。例题就是实际设计过程中出现的情况。原先的开孔是DN150mm,