开孔补强方法在压力容器设计中存在问题分析

刘文娟

（陕西陕化化工集团有限公司机械修造分公司，陕西 渭南 714100）

1 概述

由于工艺流程的需要，在压力容器的壳体和封头上往往需要进行开孔。开孔的结果不仅使容器的强度降低，而且在开孔周边引起的应力集中也会对容器带来危害。目前，在压力容器设计领域常用的开孔补强方法是基于弹性失效设计准则的等面积设计法和基于塑性失效准则为基础的极限分析法。

壳体和封头上的开孔应为圆形、椭圆形。对非圆形开孔长短径之比不大于2。壳体的开孔补强可采用补强圈补强和整体补强两种结构形式。采用补强圈补强时，应遵循三项规定，即壳体和补强圈钢材的标准抗拉强度下限值δ≤540MPa；补强圈厚度小于或等于1.5倍的壳体名义厚度；壳体名义厚度小于等于38mm。整体补强是指采取增加壳体厚度，或用全焊透的结构形式将厚壁管或整体补强锻件与壳体相焊的补强形式。

2 孔补强方法应用概况

壳体开孔边缘的应力可以分为三种，即局部薄膜应力、弯曲应力以及峰值应力。由于这三种应力的性质不同，因此补强的准则也不尽相同。对于薄膜应力补强的准则是保障开孔局部截面的静力强度或防止失稳；对于弯曲应力，由于它是因孔边协调产生属二次应力，则补强的准则从安定性方面加以考虑；孔边的峰值应力与破坏与疲劳相关联。

唐玉江从理论分析的角度对补强圈、厚壁管和整体锻件三种补强方法进行了比较，王磊介绍了以在壳体有效补强区域中的压力载荷与壳体的承载能力相平衡为基础的压力面积法。于斐介绍了上述三种方法的区别。对于开孔处的应力分析，王相意、张永田、王忠臣和王磊都提出可根据应力分类准则，将开孔与接管处的应力分为：在开孔边缘处的一次局部薄膜应力，为满足外部约束条件或结构自身变形连续要求所需的二次弯曲应力以及由局部结构不连续或局部热应力影响而引起的附加于一次加二次应力的峰值应力。

3 种补强方法有限元模型的建立

3.1 容器结构

内径为1000mm的圆柱形容器，采用标准椭圆封头，在封头中心设置Φ325的内齐平接管。设计压力p=9MPa，设计温度为150℃，接管的外伸高度为200mm，筒体与封头的材料均为16MnR，接管的材料为20#钢，采用全熔透焊缝。其中，在150℃下，16MnR的许用应力为163MPa，20#钢的许用应力为132MPa。腐蚀裕量取2mm，钢板厚度负偏差忽略不计。

3.2 模型尺寸的确定

根据GBl50-1998的计算方法，取封头与筒体的名义厚度为36mm，接管的名义厚度为15mm。筒体向下截取300mm，所需的补强面积为6651m2，根据补强圈标准JB／T4736-95，选用外径为550mm的补强圈，补强圈的厚度为32mm。根据厚壁管的标准，选用补强管的内径为293mm，补强段外径为377mm，整体锻件补强设有专门的标准进行设计，封头补强段的厚度取56mm。

3.3 有限元模型的建立

在建立有限元模型时，采用轴对称模型，单元采用PLANFA2号单元，在筒体的下端加Y向的约束，在模型的内表面加9MPa的内压，在接管的顶端加向上的等效压力。在补强罔朴强中，将焊缝与封头建为一体。而补强罔与封头之间则存在间隙。为了能进行比较，在本文分析的各种补强形式中，金属补强面积保持相同。

4 结果分析

4.1 封头与接管处的应力分布

从为补强圈补强，厚壁接管补强和整体锻件补强结构在内压作用下的应力强度分布云图，可以看到在补强圈补强中，最大应力强度点出现在补强圈与封头的焊缝位置，在厚壁管补强中，最大应力强度出现在厚壁管与封头的焊缝位置，而在整体锻件补强中，最大应力强度出现在封头与加厚部分的过渡区。最大应力强度分别为 259MPa，277MPa和209MPa。在应力强度分布方面，补强圈补强在接管与封头的连接处有明显的应力集中，在厚壁接管中也在此处存在应力集中，而在整体锻件补强中，应力分布比较均匀。从补强的效果上来看，补强圈补强和厚壁管补强中只有一小部分补强材料真正起到了补强的作用，大部分的材料为低应力区的材料利用率较低。而在整体锻件补强中，大部分材料都起到了补强的作用。

4.2 路径分析

在接管内壁应力最大点处沿管壁厚度方向上，整体锻件补强和厚壁接管补强的膜应力强度和膜加弯应力强度相差不大，整体锻件补强中应力强度值比较低。而在接管上端远离开孔区，厚壁接管补强的应力强度值最小，整体锻件补强的弯曲应力强度比较大，从而导致其膜加弯应力最大。在接管与封头焊接处接管壁厚方向上，整体锻件补强应力强度值最小，补强圈补强次之。

封头靠近筒体的位置存在一处应力集中，在应力集中点沿封头壁厚方向上，置种补强方式下应力强度值相差不大。在最大应力点处沿封头厚度方向上，整体锻件补强的膜加弯应力强度最小，补强圈次之，厚壁管最大，

从上面的分析可以看出，厚壁接管除了在接管顶端处应力强度最小外，各个路径上的应力强度值都比较大，为了改善这种状况，可以采用内伸管的方式。接管内伸的长度不同时，其应力强度值也是不一样的，随着内伸长度的增加，接头区的应力强度值明显减小，取内伸长度为12mm，此时，接头区的应力强度分布云图可以看到，最大应力强度由齐平管时的277MPa减小到242MPa。接管内壁的最大应力点明显内移，说明内伸段起到了补强的作用。接管内伸之后，各条路径上的应力强度值比内齐平条件下都有明显的降低。与补强圈补强相比，除了在最大应力点处沿封头厚度方向上膜加弯应力强度略大之外．内伸接管朴强在各路径上应力值均比较小，补强效果更明显。

结论

本文对常用的压力容器开7L补强方法进行了分析，介绍了三种补强方法有限元比较分析，可以看出补强圈补强效果不是很理想，会产生较大的应力集中，而且按标准设计的补强圈趋于保守，有很大一部分补强金属载荷值较小，最大值出现在焊缝区，对焊缝要求较高。齐平补强管的补强效果也不理想，存在较大的应力集中，也有很大一部分补强金属承载较低，同时对焊缝的要求很高。当采用内伸接管时，随着内伸长度的增加，接头区应力明显变小，内伸接管的补强效果较补强圈要好，但对焊缝的要求依然很高。整体锻件补强无论是在应力分布还是最大应力强度值方面都比前几种补强方式效果好，但制造起来比较麻烦。

[1]唐玉江.中低压容器开孔扑强结构比较[J].石油化工设计，2002，19(1)：45-48.

[2]王磊.压力容器开孔补强设计方法比较[J].石油化工设计，2002，19(2)：17-19.

[3]于斐.压力容器开孔补强及处理方法[J].管道技术与设计，2001(6)：14-16.