浅谈压力容器开孔补强的方法

　　摘要：本文主要对压力容器开孔后进行补强的方法进行探讨，主要针对等面积补强；压力容器大开孔补强方法；平盖开孔补强；高压蒸汽过热器联箱开孔补强这几种方法进行了比较。
　　关键词：压力容器,开孔补强,方法
　　随着化工行业的发展，压力容器在化工厂中越来越普遍，其安全性也越来越受到重视。这样在压力容器设计中一些较易出现问题的地方，更引起人们的注意了，如压力容器封头上的开孔及补强是一个非常爱出问题的地方，一旦计算有误就会造成容器的破坏，甚至引起工作人员的伤害，或者造成经济上的浪费。下面就对压力容器的开孔补强进行分析。
　　1.等面积补强
　　化工容器常用的开孔补强方法是等面积补强法，其基础理论是在有效补强范围内所加补强材料的截面积必须大于或等于因为开孔而失去的截面积。其实质在于补强壳体的平均强度，即维持容器整体的屈服强度，理论模型是无限大平板开小孔，不至于因开边缘附加弯曲应力引起大的误差，故对小直径开孔安全可靠，其计算方法如下：
　　满足下列条件不需补强：
　　A1+A2+A3≥A
　　不满足这一条件则需要补强，补强金属的面积为：
　　AO=A一(A1+A2+A3)
　　式中：
　　A---壳体因开孔而削弱的截面积；
　　AO----补强金属的面积；
　　A1---筒体或封头上超过计算厚度S所多余的金属截面积；
　　A2---接管上超过强度计算厚度所多余的金属截面积；
　　A3---补强区内焊缝的截面积。
　　其适用范围是局部补强的材料基本上应与壳体相同，其强度不应小于壳壁材料强度的75％。适用于筒体的最大开孔直径dI≤1000毫米，而封头的开孔最大直径是dI≤1／2DJ。di—开孔最大直径；DJ—封头内径。这类计算方法只能在一般情况下应用，在特殊情况下则不适用，例如容器大开孔时补强，平盖的开孔补强以及高压蒸汽过热器的开孔补强，下面将分别讨论。
　　2.压力容器大开孔补强方法
　　大开孔压力容器在开孔接管部位有很大的应力集中，所以必须进行补强。国际上通行的各种压力容器设计规范未对容器大开孔作一个明确的界定，GBI50一1998也仅对开孔最大直径作了限制，而对于超出限制值的容器开孔，工程上一般称为大开孔。由于大开孔后，孔的边缘不仅存在大的薄膜应力，而且还会产生高的弯曲应力。因此以受拉伸开孔大平板为计算模型的等面积法补强则不适用。目前工程上常用的大开孔补强方法是压力面积法，它是德国AD压力容器规范中采用的开孔补强方法。其开孔率可达0.8。工程上常用该法对开孔率超出等面积法适用范围的大开孔进行补强。压力面积法的计算通式为：
　　APP≤Aσ（［σ］－P／2）
　　式中AP＝DI／2(dI／2+h)+dI／2(δ+hI)
　　A=hδ+hIδI
　　其中:
　　DI-----筒体内径；
　　d、dI----接管内径、接管工程直径；
　　AP----自效补强范围的压力作用面积；
　　Aδ----有效补强范围壳体、接管、补强金属截面积；
　　P----计算压力；
　　［σ］----材料许用压力；
　　h、hI----筒体的补强长度、接管的补强高度；
　　δ、δI----筒体厚度、接管厚度；
　　C----筒体壁厚附加量。
　　该式是以有效补强范围内受压面积与承载截面面积的力平衡为基础的，即压力在壳体受压面积上形成的载荷与有效补强范围内壳体、接管及补强材料的面积具有的承载能力相平衡。在开孔直径较大时d／2？（DI+δ—c）(δ—C)，压力面积法补强范围相对较小，具有密集补强的特点，可以有效降低开孔接管部位的应力集中，从而相贯壳体部位更趋于安全。
　　3.平盖开孔补强
　　平盖在内压力或外压力的作用下，产生的是弯曲应力，即一次弯曲应力。平盖开孔后，由于抗弯截面系数减小，抗弯强度受到削弱。因此，平盖开孔的补强准则为：应使补强后平盖的弯曲强度与开孔前保持不变，当补强材料与平盖的材料相同时则意味着应使补强后平盖的抗弯截面系数与开孔前保持不变，这就是平盖开孔补强与内压壳体开孔补强要求的不同之处。（受内压壳体采用等面积补强）平盖开孔补强面积并非削弱的承受强度的面积，而是这一面积乘上一定的系数。常用的补强方法有补强圈补强、增加平盖厚度补强和厚壁管（包括锻管）补强。对于外加补强元件的补强，平盖开孔补强所需最小补强面积为：
　　A=0.5dδp
　　式中A是补强所需最小补强面积；d是开孔直径；δp为平盖计算厚度；此公式不仅适用于补强圈补强，而且也适用于厚壁管补强。
　　4.高压蒸汽过热器联箱开孔补强
　　此容器在规定工况条件下，若按等面积法补强不满足强度要求，可以按应力分析法进行评定则满足强度要求；其总体薄膜应力、局部薄膜应力以及一次加二次应力均满足强度要求，但其璧厚富裕量很小。作为压力容器标准，等面积补强设计虽然能有效地防止因受截面积的削弱和较高的应力集中而导致破坏，但并未涉及补强材料在有效补强范围内如何合理分布，才能使应力集中现象减少到最低限度。根据应力分析及有关试验结果可知，具有孔边缘内外对称的补强结构可以获得最小的应力集中系数，因补强材料均匀地布置在容器内外两侧时，不会因材料的不对称而产生附加弯矩和相应的弯曲应力。联箱由于制造工艺所限，无法采用内外侧对称补强结构，只能采用外侧补强，应力集中系数比内外侧对称补强高20％左右。所以联箱开孔及补强结构应做适当修改，即接管内外侧拐角处做成光滑圆角过渡。
　　5.结束语
　　综上所述。在压力容器设计中，应根据压力容器的工况，即容器开孔的大小，封头的具体形状及容器具体工况，来采用具体的补强方法和具体的补强措施。

《浅谈压力容器开孔补强的方法》

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