压力容器开孔补强探讨范文

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1常规的开孔方法

1.1等面积法

1.1.1适用范围这种方法适合压力下的壳体与平封头上的圆型及椭圆形等形状开孔。当在壳体上开孔时（椭圆形或长圆形），孔长径比上短径数值应在一定数值范围内（≤2.0）。（1）圆筒内径Di≤1500mm时，开孔最大直径dop≤Di/2，dop≤520mm；圆筒内径Di≥1500mm时，开孔最大直径。

1.1.2开孔补强的面积计算等面积设计法的基本公式A4≥A-Ae。其中A1、A2分别为在补强有效范围内壳体、接管除承受压力所需厚度之外的多余截面积；A3焊缝金属截面积，A4有效补强范围内另加的补强面积，mm2。

1.2分析法分析法指依据弹性薄壳理论得出的一种应力方法。它主要被用在内压作用下的开孔补强设计中，其中d≤0.09D，max[0.5，d/D]≤δet/δt≤2d为接管中面直径（单位mm）。D为圆筒中面直径（单位mm）。

2大开孔补强方法

2.1压力面积法这种方法是德国压力容器规范中使用的一种补强方法，开孔率为0.8。压力面积法经常被应用于工程中，对超出等面积法适用范围的开孔进行补强。压力面积法通式如下。采用压力面积法，应该注意以下几个问题：（1）接管与壳体应全焊透，为了避免接管与壳体连接壁尖角过度，应该采用圆角过度；（2）接管、壳体等材料曲强比需要满足δs/δb≤0.67。此外，还应该避免标准常温抗拉强度过大（δb＞540MPa）的材料，（3）需要对接管、壳体间焊缝进行无损检测；（4）该方法对介质对应力敏感的场合不适用；（5）该方法需要避免产生蠕变或脉动载荷的场合。

2.2极限压力法该方法以塑性失效为准则。该方法认为：结构的初始屈从，不能说明承载能力已经丧失。但是当容器特定区域截面进入塑性状态（甚至是塑性流动）时，视其失效，对应载荷称为极限载荷。因为该原则对开孔周围应力区有很大的应力许用值，所以常常被用在压力容器的大开孔补强当中。通过塑性理论分析和实验等方法能够得到极限荷载。具体方法是：首先，画出载荷—应变曲线；其次，依两倍弹性斜率法或者1%塑性应变载荷法等方法测出相贯线应力区的极限载荷。此外，对柱壳开孔结构以及极限载荷上限经验，得出计算公式为Pl=gPs。

2.3有限元法20世纪70年代开始，压力容器和对应的软件技术行业迅速发展。在这个发展过程中，三维有限元法得到了广泛应用。三维有限元的计算和单元形式以及网格划分方法紧密相联，选用不正确可能会造成计算结果误差。此外，还需要对三维有限元计算结果进行分类，特定种类的应力对应特定的许用值。

3结语

压力容器的开孔补强如果开孔率符合GB150中的适用范围通常采用等面积法，超过规范范围的则采用压力面积法、极限压力法、有限元法。其中压力面积法和等面积法在强度计算理论上是完全相同的，只是在对壳体补强有效范围的规定上，二者各取两个影响因素的一个，从而导致在开孔相对尺寸di/Di值不同时各偏于“偏冒进”或“偏保守”的现象。极限法和等面积法类似，是一种建立在静力强度上的补强方法。但是等面积法的计算模型基础是受拉伸开孔大平板，而且其计算靠整个壳体截面的平均应力进行；极限压力法的基础是壳体模型，并且依极限载荷来完成计算。大开孔率过大的补强问题，还没有完整的设计规范，因此在重要的情况下，需要采取保守做法。比如选用安全系数高的设计、制造过程采用全焊透结构、进行无损检测以及进行热处理等方法。同时，考虑到各种补强方法的适用范围，最好将计算的应力值和现有可靠试验值进行对比，或者采用其他补强方法进行校对。

作者：马军伟 单位：西安石油大学