压力容器壳体开孔允许不另行补强要求条件的分析

吴梦楚

西北大学 西安 710075

压力容器壳体开孔允许不另行补强要求条件的分析

吴梦楚*

西北大学 西安 710075

为满足工艺操作、容器制造、安装、检验及维修等要求，在压力容器上开孔是不可避免的，由此，开孔补强是压力容器设计和计算的重要组成部分。在《压力容器》GB150.3-2011 的6.1.3 章节中给出了压力容器壳体开孔允许不另行补强要求条件，本文对标准中的要求进行了深入分析，以帮助压力容器工程设计人员更好地理解标准中该部分的内容。

压力容器 开孔 不另行补强条件

压力容器上的开孔接管对容器所引起的问题主要有三个方面：① 因开孔而导致容器组件承载力截面积的削弱；② 因开孔而造成孔边的应力集中；③ 接管和壳体构成了不连续结构，从而在接管的一定长度范围和壳体孔边附近一定范围内引起附加的边缘应力。

《压力容器》GB 150.3-2011中6.1.3不另行补强的最大开孔直径规定壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强：① 设计压力P≤2.5MPa；② 两相邻开孔中心距(对曲面间距以弧长计算)应不小于两孔直径之和；对于3个或以上相邻开孔，任意两孔中心间距(对曲面以弧长计算)应不小于该两孔直径之和的2.5倍；③ 接管公称外径小于或等于89mm；④ 接管壁厚满足表1要求，表中接管壁厚的腐蚀余量为1mm，需要加大腐蚀裕量时，应相应增加壁厚；⑤ 开孔不得位于A,B类焊接接头上；⑥ 钢材的标准抗拉强度下限值Rm≥540MPa时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构形式。

表1 接管外径在指定的接管壁厚内不另行补强 (mm)

以下对这些限制条件的原因做出分析和探讨。

1 不另行补强的条件的总体原因分析

《压力容器》GB 150根据设计压力、开孔间距、接管外径、接管厚度、材质以及焊接质量，规定不另行补强的条件。并明确接管不得位于筒体A、B类焊接接头上，主要基于以下考虑：

(1)容器产品的壳体厚度往往超过实际强度需要。这种情况下，可看作容器已被整体加强。

(2)在通常设计条件下，接管的最小壁厚往往多于实际需要，多余的金属已经起到补强作用。

(3)大量的实验得出，受压壳体应力集中系数的计算式为：

式中：dop为开孔直径，mm；Di为圆筒内直径，mm；δ为壳体开孔处的计算厚度，mm。

可见，随着接管开孔直径的减小，应力集中系数降低，表1给出了接管外径不超过89mm的不另行补强所对应的接管厚度。

限制或考虑开孔中心间距，是为了防止孔边局部应力分布区域的叠加。

不另行补强是针对等面积法制定的，即其应用的前提条件必须满足GB 150.3-2011中“6.1.1等面积法适用范围”的开孔;也不适用于所处几何变化较大、应力较复杂的位置开孔，如存在其他载荷(轴向载荷、弯矩、扭矩)，则等面积法不再适用。

表1中按照常用接管规格列出接管外径和所需最小厚度，考虑接管的腐蚀裕量为1mm。其中的接管外径指一个范围，当接管外径介于同一壁厚中最小和最大外径之间时都可以免于补强，例如：Φ34×3.5可以免于补强。当实际腐蚀裕量大于1mm时，表1中的接管厚度应相应增加，但当腐蚀裕量小于1mm时，接管壁厚不应减少。

当开孔不可避免地需位于A、B类焊接接头上时，必须进行补强计算，并应满足《压力容器》GB 150.3-2011中6.1.4开孔附近的焊接的焊接接头“容器上的开孔宜避开容器焊接接头。当开孔通过或临近容器焊接接头时，则应保证在开孔中心的2dop范围内接头不存在有任何超标缺陷”。为此，设计应考虑必要的检测手段并在设计文件中注明。

2 孔边应力分析和应力集中的局限性

2.1 孔边应力分布

图1 平板开小圆孔受单向拉伸

板中的应力分量可用弹性力学解出：

在孔边缘处r=a时，

σr=0τrθ=0

当θ=±π/2时，

σθmax=3σ

当θ=0，π时

σθmin=σ

在双向拉伸下，板中承受的两向应力，孔边应力可按单向拉伸叠加起来而得：

σθ=3σ-σ=2σ

此时孔边应力分布见图2。

图2 孔边应力分布

对于压力圆筒部分开孔受双向拉伸，见图3。

图3 压力圆筒部分开孔受双向拉伸

其径向薄膜应力仅为周向薄膜应力的一半，其σx、σy值分别为：

式中，P为设计压力，MPa；R为容器半径，mm； S为容器壁厚，mm。

采用同理叠加方法，此时孔边应力为：

当θ=0，π时，

σθ=3σy-σx=2.5σy

当θ=±π/2时，

σθ=3σx-σy=0.5σy

根据上式，可以看出，筒体开小孔后边缘应力的峰值出现在筒体径向截面上，且为σθ=2.5σy，即应力集中系数k：

压力容器设计中，圆筒中环向薄膜应力σ是控制在一倍[σ]以下，根据安定性准则，对局部应力σθmax<3[σ]，容器在加载、卸载过程中不会出现应力循环，可以认为孔边应力的稳定是能得到保障的。

2.2 应力集中的局限性

由前述平板开孔的应力分量公式可得，当θ=±π/2时 ，孔边应力沿半径方向的变化为：

当r=a,2a, 3a时(a为开孔半径，且≤89/2mm),各点的应力相应为σmax=2.5σ,1.23σ，1.09σ,见图4。

图4 孔边峰值应力分布

由图4可见，孔边峰值应力随着离开孔边的距离迅速衰减，也即孔边的高应力区非常的狭窄，这就有利于进行局部补强。

3 允许不另行补强的各项原因

压力容器开孔后，允许不另行补强的条件是基于以下各项原因：

(1)开孔会使压力容器器壁整体削弱，还在孔边产生局部应力集中，但开孔越小，整体削弱的程度越轻。局部应力集中的区域也越小，相对而言，开孔周围也有更多材料的弹性包围而减轻削弱。

(2)压力容器在设计和制造中，由于各种原因，壳体的厚度往往会超过实际强度的需要。容器壁的厚度的增加，则薄膜应力相对减小，且相应孔边最大应力值降低。这种情况实际使容器在一定程度上已被整体加强，从而增添不必另行补强的条件。壳体壁厚的实际富余可能来自于几个方面：① 由于钢板厚度规格的分级限制，使容器设计时因圆整而增加厚度； ② 对焊接园筒体或封头，因焊接接头系数<1使壁厚增加，而实际开孔并不位于焊接接头上时，该处实际已起到整体补强作用；③ 标准椭圆封头的强度往往比圆筒体大，若采用封头与筒体等厚钢板，则封头上应力将相应减小，这时封头也有一定程度的整体补强。

(3)容器上开孔接管的壁厚也常多余实际需要，多余的部分也起到了补强作用，故对较小的口径的开孔可以不必另行补强。

(4)两相邻孔中心间距远大于孔边峰值应力衰减范围时，应力集中区就不会因相互重叠而照成局部应力增大。

(5)容器的设计压力越低，开孔削弱带来的危害性相对越小。

因此，只要设计中同时执行允许不另行补强的各项条件，开孔后不作另行计算和补强仍然是安全的。

4 允许不另行补强条件中开孔间距要求

在石油化工装置的容器中，某些中间容器往往要接受来自各个工艺系统的物料作为中间贮存，管口数量之多会在筒体上构成密集分布，控制任意相邻管孔的中心间距问题在设计中显得特别突出。

(1)两相邻开孔中心间距条件的分析。孔边峰值应力的衰减情况和两孔中心间距L≥2.5(d1+d2)的条件，我们假设筒体上3个或以上的开孔，孔径相同。则任意两孔间的应力分布见图5 。

图5 筒体任意两孔间的应力分布

从图中可见，两孔孔边应力衰减区之间存有2a的距离，应力近似于基本薄膜应力σ的水平段。无论从开孔补强的有效宽度B=2d=4a的规定，或是从孔边应力衰减区2a+2a=4a 考虑，重叠区域的应力叠加未超过孔边缘的最大值2.5σ。在满足其他条件下，允许不另行补强条件之一的，《压力容器》GB 150.3-2011中的条件已修正为两相邻开孔中心距(对曲面间距以弧长计算)应不小于两孔直径之和；对于3个或以上相邻开孔，任意两孔中心间距(对曲面以弧长计算)应不小于该两孔直径之和的2.5倍。

对应国外相应规范[2,3]的规定，在压力容器常规设计中对于3个或以上的开孔，满足不另行补强的要求时，对于在圆筒型壳体或者锥壳上开孔，其任意两孔的中心间距应满足L≥(1+cosθ)d1+d2(θ为开孔中心连线与壳体纵轴间的夹角)，在通常垂直壳壁开孔的情况下时，即得到L≥d1+d2,即满足要求。因此，在本文所述的容器圆筒体上密集开孔，若控制相邻两孔中心间距l≥d1+d2，应该仍是安全的，《压力容器》GB 150.3-2011版本标准对比GB 150-1998版本标准,关于不另行补强的条件的细化修正是合理的，这对遇到密集布置的小直径接管开孔，可以更加有效地利用空间，从而减免开孔补强计算，加快设计速度。

(2)目前在设计中尚需尽可能将开孔间距调整到现行规范的规定值，若其他条件均能满足而两孔中心间距确实无法达到要求时，则需增加开孔补强计算，按计算结果确定另行补强与否。

5 结语

不需另行补强的原因主要还是考虑开孔处峰值应力的局限性和衰减性。开孔附近的峰值应力不会引起壳体整体屈服，要保证容器安全必须对应一定限制，因此标准才设置了适用条件。

当开孔接管完全满足《压力容器》GB 150.3的6.1.3条款不另行补强最大开孔直径条件，标准不要求进行补强计算。若不能满足标准中所列的全部条件，应进行补强计算，需要另行补强时，应按标准要求予以补强。

1 GB 150-2011，压力容器[S].

2 ASME Ⅷ-Ⅰ，压力容器建造规则[S].

3 ASME Ⅷ-Ⅱ，压力容器建造另一规则[S].

2017-03-28)

*吴梦楚：本科在读。2014年就读于西北大学化工学院过程装备与控制工程专业。联系电话：15667070102， E-mail:wumc0719@sina.com。