天然气管道工程用汇气管大开孔补强计算

杜亮坡 东志红 耿 正 高 枫 李恒东

（中国石油天然气管道工程有限公司)

随着国家经济的快速发展，天然气作为一种高效、清洁的能源，越来越受到人们的青睐。目前天然气管道趋向于大口径、高压力和高强度的方向发展。为了顺应天然气管道的发展趋势，天然气工程用汇气管的规格及开孔率也越来越大，而GB 150—2011《压力容器》关于筒体开孔率≤0.5[1]的规定已经不能满足汇气管大开孔的要求，也就是说需另寻途径对汇气管大开孔进行补强计算。

1 大开孔补强计算方法介绍

目前国内大开孔补强计算的方法主要有压力面积法[2]和应力分析法[3]。

压力面积法的适用条件：

（1）适用于内压圆筒形壳体、球形壳体的圆形开孔补强；

（2）开孔内径与壳体外径之比di/Do≤0.8；

（3）焊接应采用全熔透结构，尖角部位应倒圆角过渡；

（4）材料常温下屈服强度与抗拉强度的比值小于等于0.67。常温下抗拉强度最小值大于540 MPa的材料不宜采用，如需采用这类材料，其设计、制造、检验应加以严格要求；

（5）焊缝应采用射线或超声检测；

（6）在应力敏感的情况下不宜采用压力面积法开孔补强；

（7）在蠕变或脉动载荷的情况下不应采用压力面积法开孔补强。

应力分析法的适用条件：

（1）适用于内压作用下具有径向平齐接管的圆柱壳；

（2）圆柱壳、接管和补强件的材料，其常温下的屈服强度与抗拉强度下限值之比≤0.8；

（4）焊接采用全熔透结构，确保补强结构的整体性；

（5）壳体与接管之间角焊缝的焊角尺寸应分别不小于δn/2和δnt/2，接管内壁与壳体内壁交线处圆角半径在δn/8～δn/2之间；

（6）对壳体或接管进行整体补强，必须满足补强范围的尺寸 （自管、壳交线至补强区边缘的距离）要求： 对于壳体，l＞； 对于接管，l＞，或整体加厚壳体；

（7）应力分析法适用于下列参数范围：开孔率ρ0≤0.8,max[0.5,ρ0]≤δet/δe≤2。

2 压力面积法与应力分析法的区别

压力面积法与应力分析法的区别主要是设计上采用的失效准则和强度理论不同。压力面积法采用弹性失效准则，当容器内某最大应力点达到屈服极限时，即认为容器丧失了纯弹性状态而失效，其采用的是第一强度理论，以第一主应力作为控制应力。应力分析法采用塑性失效准则和弹塑性失效准则，允许容器结构出现可控制的局部塑性区，允许对峰值应力部位作有限寿命设计，其采用的是第三强度理论，以第一主应力和第三主应力作为控制应力。由于压力面积法与应力分析法所采用的失效准则和强度理论不同，因而材料许用应力的取值也有所不同。

压力面积法材料的许用应力为下列各值中的最低值：

（1）常温下材料抗拉强度下限值Rm的1/2.7；

（2）常温下材料屈服强度 （0.2%、1.0%非比例延伸强度）ReL(Rp0.2、Rp1.0）的1/1.5；

（3）设计温度下材料的屈服强度 （0.2%、1.0%非比例延伸强度）(、）的1/1.5；

（4）材料在设计温度下经10万小时后断裂的持久强度平均值的1/1.5；

（5）材料在设计温度下经10万小时后蠕变率为1%的蠕变极限平均值的1/1.0。

应力分析法材料的许用应力为下列各值中的最低值：

（1）常温下材料抗拉强度下限值Rm的1/2.4；

（2） 常温下材料屈服强度 ReL（Rp0.2）的 1/1.5；

（3）设计温度下屈服强度RteL(Rtp0.2）的1/1.5。

压力面积法与应力分析法除在设计方面有所不同外，在制造、检验和验收方面也有所不同，相对来说应力分析法在制造、检验和验收方面要比压力面积法严格。

3 汇气管大开孔补强计算

下面以某一实际工程中的天然气管道汇气管大开孔补强为例，分别用压力面积法和应力分析法对其进行大开孔补强计算。图1为某天然气管道汇气管结构，汇气管的设计压力为6.3 MPa，设计温度为60℃，腐蚀裕量为2 mm。筒体内径为600 mm，筒体壁厚为22 mm，材质为Q345R。接管的尺寸为Ø451 mm×32 mm，材质为16MnⅢ，接管的外伸长度为200 mm。按照GB 150—2011《压力容器》， 汇气管的开孔率 ρ0= （451-2×32+2×2）/600≈0.65＞0.5，已经不能满足该标准关于压力容器开孔补强的规定。从压力面积法和应力分析法的适用条件判断，汇气管的开孔补强满足压力面积法和应力分析法的要求。现分别以压力面积法和应力分析法对汇气管的开孔补强进行计算。

图1 汇气管结构

（1）压力面积法

壳体补强的有效宽度：

由于汇气管壳体和接管的材质不同，按下式进行补强计算：

式中[σ]——壳体材料的许用应力,为185.1 MPa；

[σ]1——接管材料的许用应力,为166.6 MPa；

Aσ0——壳体上有效金属面积，为2 827.5 mm2；

Aσ1——接管上有效金属面积，为4 194.0 mm2；

Ap——补强有效范围内的压力面积，为131 391.3 mm2；

p——设计压力，为6.3 MPa。

由此可知，用压力面积法该汇气管的接管开孔补强满足要求。

（2）应力分析法

根据JB/T 4732—1995《钢制压力容器——分析设计标准》附录J的规定进行下述计算。

壳体中面直径：

由 ρ0、 λ、 δet/δe查 JB/T 4732—1995 《钢制压力容器——分析设计标准》附录J曲线图组J-2，当 ρ0=d/D=0.6时， Km≈2.90， K≈4.60； 当 ρ0=d/D=0.7时，Km≈3.45，K≈4.55。根据内插法，当ρ0=d/D=0.66 时， Km≈3.23， K≈4.57。

一次局部薄膜应力强度:

满足应力分析法开孔补强的条件为：

式中Di——壳体内径，为600 mm；

do——接管外径，为451 mm；

K——一次加二次应力强度集中系数；

Km——一次局部薄膜应力强度集中系数；

p——设计压力，为6.3 MPa；

D——壳体中面直径，为620 mm；

d——接管中面直径，为421 mm；

Sm——壳体设计应力强度，Q345R的设计应力强度为208.3 MPa;

δn——壳体名义厚度，为22 mm；

δnt——接管名义厚度，为32 mm；

δe——壳体有效厚度，为20 mm；

δet——接管有效厚度，为30 mm；

C——腐蚀裕量，为2 mm；

ρ0——开孔率；

λ——参数。

经计算，2.2Sm=458.3 MPa，2.6Sm=541.6 MPa，因此SⅡ≤2.2Sm和SⅣ≤2.6Sm的条件满足，即应用应力分析法该汇气管的接管开孔补强满足要求。

4 结论

综上所述，当汇气管壳体的开孔率不能满足GB150规定时，可采用压力面积法或应力分析法对壳体的开孔补强进行计算。压力面积法和应力分析法的区别在于设计上所采用的失效准则、强度理论和适用条件不同。在大开孔补强计算时，应根据压力面积法和应力分析法的各自适用条件进行选择。

[1]GB 150.1～150.4—2011.压力容器[S].

[2]HG/T 20582—2011.钢制化工容器强度计算规定[S].

[3]JB/T 4732—1995.钢制压力容器——分析设计标准[S].