基于ASME规范核级设备开孔补强计算

张 持

(中广核研究院有限公司，广东 深圳 518124)

压力容器在化工、核电、环保、医药等工业领域广泛应用，为满足工艺操作、容器制造、安装、检验及维修等要求，在设备上开孔是不可避免的。设备上开孔后，由于其结构连续性的破坏，不仅整体强度受到削弱，而且还使其开孔边缘产生很高的局部应力，设备开孔后，为降低开孔边缘的应力，应在开孔边缘处采取开孔补强措施，因此在设计中必须充分考虑开孔补强问题，为设备的安全运行提供保障。

目前核电厂设备、部件所遵循的主要技术标准为《核设施部件建造规则》(ASME BPVC.Ⅲ)[1]和《压水堆核岛机械设备设计和建造规则》(RCC-M)[2]，核级容器的开孔补强常规设计同样也是采用的等面积法，但是具体要求比非核级容器设计更为严格。等面积法是压力容器开孔补强计算中应用最为广泛且较简便的方法，该方法以受拉伸的无限大平板开小孔为理论基础，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次平均应力作为补强准则[3-4]。下面本文首先对ASME BPVC.Ⅲ规范与容器开孔的补强要求进行介绍，然后通过具体算例可详细地了解ASME BPVC.Ⅲ的开孔补强计算方法。

1 ASME BPVC.Ⅲ概述

核电厂设计从“反应性控制、余热排出和放射性物质包容”安全功能考虑，将设备分为安全级和非安全级，其中安全级又分为安全1级、2级和3级。设备与部件的规范等级必须等于或严于设备所在系统的安全级。ASME BPVC.Ⅲ规范中NB/NC/ND分卷分别对核1级设备、2级设备、3级设备设计做了具体规定，应特别注意的是核1级设备除了规则法设计还应进行分析法设计；核3级设备只需进行规则法设计。

1.1 开孔范围

核2、3级设备开孔范围适用于当容器直径D≤1500 mm时，开孔最大直径为D/2且不超过500 mm；对于容器直径D>1500 mm，开孔范围为D/3且不超过1000 mm[2]。可以看出，开孔尺寸要求与GB/T150.3[5]等面积法适用范围基本一致。

1.2 补强结构要求

设备开孔补强设计的最根本问题就是要尽量降低孔边的应力集中，而降低开孔的应力集中最有效的途径就是将补强金属尽可能布置在开孔边缘及附近，并尽量减少几何不连续现象。具有这些功效的补强结构以整锻件或者密集补强、翻边接管补强以及加厚接管补强为好。补强的附加金属存在补强金属分散、与壳体存有间隙、而且其外周的几何不连续将产生新的应力集中等缺点。基于安全的考虑，在ASME BPVC.Ⅲ中NB分卷1级设备的补强设计时不允许采用补强金属补强，仅推荐用整锻件补强或挤压接管的密集型补强。但是如果开孔直径≤DN50，则这种简单的圆形开孔不必提供补强[2]。

1.3 2/3A补强边界要求

ASME BPVC.Ⅲ在开孔补强的有效补强范围中增加了2/3 A补强边界范围的判定要求，要求所需的三分之二补强在开孔轴线的每一侧的距离内[2]。该规定侧重于设备的安全性，开孔补强充分考虑了孔边不连续应力衰减范围的量级因素，综合考虑了开孔直径d和孔边不连续应力衰减范围两个因素，使得补强设计更趋于合理化。GB/T 150.3[4]中开孔补强计算未考虑2/3 A补强边界要求。

2 计算算例

开孔补强计算应首先确定所需补强的面积和有效补强范围，再计算可用补强的金属面积，根据计算结果校核判断可用作补强的金属面积是否满足所需补强面积的要求，最后校核2/3 A补强边界的补强面积是否满足大于2/3 A面积要求。

下面以核3级设备为例，按ASME BPVC.Ⅲ中ND分卷规定对筒体接管进行开孔补强校核计算。

2.1 设计条件

规范等级：3级设备(ND分卷)

设计压力：P=0.9 MPa

设计温度：100 ℃

筒体、接管材料：SA-204M 304 L

最大许用应力值：S=115 MPa

腐蚀裕量：0

焊接接头系数：E=1

修正系数：F=1

系数：y=0.4

接管与筒体焊脚高度：8 mm

不包括腐蚀裕量的完工容器壁厚：t=7.7 mm

不包括腐蚀裕量的完工接管壁厚：tn=9.27 mm

不包括腐蚀裕量的附加垫板壁厚：te=0

不包括腐蚀裕量的完工筒体内半径：R=325 mm

不包括腐蚀裕量的完工接管外径：D0=273.1 mm

不包括腐蚀裕量的完工直径：d=254.56 mm

不包括腐蚀裕量的完工半径：r=127.28 mm

2.2 筒体成形后所需的最小厚度计算

tr=PR/(SE-0.6P)=0.9×325/(115×1-0.6×0.9)=2.56 mm

2.3 接管成形后所需的最小厚度计算

trn=PD0/2(SE-Py)=0.9×273.1/2(115×1-0.9×0.4)=1.1 mm

2.4 所需补强的总面积

按ND-3332.2需要的补强面积：承受内压的容器在任何指定平面上所需补强的总面积A不应小于：

A=dtrF=254.56×2.56×1=651.67 mm2

2.5 补强范围

垂直于容器壁且通过开孔中心的任何平面中的横截面边界，位于该边界内的金属具有补强价值时，此边界称为该平面的有效补强范围，见图1。

图1 有效补强范围Fig.1 Effective range of reinforcement

2.5.1 沿容器壁的补强范围

(1)全部所需补强应位于开孔轴线每一侧的距离内，该距离等于下列数值中的较大值：

①完工开孔的直径，不包括腐蚀裕量：

d=254.56 mm

②完工开孔半径加上容器壁厚和接管壁厚之和，不包括腐蚀裕量：

rh=r+tn+t=127.28+9.27+7.7=144.25 mm

所以沿容器壁补强范围取较大值为：254.56 mm。

(2)所需补强的2/3应位于开孔轴线每一侧的距离等于下列数值中的较大值的范围内：

①r(2/3)=r+0.5(Rt)1/2=127.28+0.5(325×9.27+7.7)1/2

=152.3 mm；

②不包括腐蚀裕量的完工的开孔半径加上容器壁厚和接管壁厚之和的2/3；

r(2/3)=r+2/3(tn+t)=127.28+2/3(9.27+7.7)=138.6 mm

所以2/3补强有效边界取较大值为152.3 mm，具体合格判定见5.7.2节中2/3 A补强边界校核。

2.5.2 垂直于容器壁的补强范围

垂直于容器壁量得的补强范围应和表面的外形相一致，该表面距每一表面的距离应等于下列中的较小值：

①壳体名义厚度减去腐蚀裕量后的2.5倍：

2.5t=2.5×7.7=19.25 mm

②接管壁厚减去腐蚀裕量后的2.5倍加上附加补强的厚度，不包括所考虑壳体侧面上的焊接熔敷金属。

2.5tn+te=2.5×9.27=23.18 mm

所以垂直于容器壁的补强范围取较小值为：23.18 mm。

2.6 可用作补强的金属

只有位于补强边界内并符合下列要求的金属，才能作为可用补强的金属。

(1)容器壁中除了为承受压力所需要的壁厚和规定为腐蚀裕量的厚度以外的金属。容器壁中可用作补强的面积A1，按以下公式计算后取较大值：

A1=(Et-Ftr)d=(1×7.7-1×2.55)×254.6=1311.2 mm2

A1=2(E1t-Ftr)(t+tn)=2×(1×7.7-1×2.55)×(7.7+9.27)

=87.39 mm2

所以A1经计算后取较大值为1311.2 mm2。

(2)在伸出到容器壁以外的接管中，为超过承受压力所需的厚度和规定为腐蚀裕量的厚度以外的金属，接管壁中可以作为补强用的最大面积A2，按以下公式计算后取较小值：

A2=(tn-trn)5t=(9.27-1.1)×5×7.7=314.55 mm2

A2=(tn-trn)(5tn+2te)=(9.27-1.1)(5×9.27+2×0)

=378.68 mm2

所以A2经计算后取较小值为314.55 mm2。

(3)在伸出到容器壁内侧的接管壁中，为适当地扣除全部暴露表面上的腐蚀裕量之后的所有金属A3，按以下公式计算后取较小值：

A3=h2×t=0×9.27=0

A3=5t(tn-Cn)+2te

所以A3经计算后取较小值为0。

(4)补强金属和连接焊缝金属有效截面积：

补强金属有效截面积：A4=0。

焊缝有效截面积：A5=8×8=64 mm2。

2.7 校 核

2.7.1 有效补强面积校核

有效补强面积Ae1=A1+A2+A3+A4+A5=1311.2+314.55+0+0+64=1689.75 mm2；

结论：Ae1>A，开孔补强面积满足要求。

2.7.2 2/3 A补强边界校核

2/3 A有效边界内筒体可用作补强用的面积：

(2/3)A1=(t-Ftr)(2r(2/3)-d)

=(7.7-1×2.56)(2×152.3-273.1)=163.2 mm2；

2/3 A有效边界内筒体外侧接管可用作补强用的面积：

A2=314.5 mm2

2/3 A有效边界内筒体内侧接管可用作补强用的面积：

A3=0

2/3 A补强边界内补强金属有效截面积：(2/3)A4=0；

2/3 A补强边界内焊缝金属有效截面积：A5=64 mm2；

2/3 A补强边界的有效补强面积：

Ae2=(2/3)A1+A2+A3+(2/3)A4+A5

=163.2+314.5+0+0+64

=541.7 mm2

结论：Ae2>2/3 A补强边界校核满足要求。

3 结 论

GB/T 150.3、ASME BPVC.Ⅷ等非核级设备设计规范在开孔补强计算中未对2/3 A补强边界提出要求。ASME BPVC.Ⅲ与RCC-M等规范对核级设备开孔补强计算均提出了2/3 A补强边界要求，侧重于考虑核级设备的安全性，在规范的应用中设计人员应格外重视。

本文通过对核3级设备开孔补强具体算例为设计人员正确理解和使用ASME BPVC.Ⅲ规范提供参考。最后，当然针对不同级别的核设备、结构形式、接管形式和受压等情况，具体的计算方法略有差别，在具体设计计算时应分别按规范具体考虑。