浅谈外压圆筒大开孔补强计算

吴朝

摘 要：GB/T150.3-2011《压力容器》中没有外压圆筒的大开孔补强计算，通常大家都是按HG/T20582-2011《钢制化工容器强度计算规定》中“第7章 大开孔的补强计算”进行补强计算，而有人对该标准的计算提出了疑问。本文对外压圆筒的大开孔补强计算进行了分析，供相关人士参考。

关键词：外压圆筒大开孔补强;等面积补强法;压力面积补强法

外压圆筒大开孔补强计算在GB/T150.3-2011《压力容器》中并没有给出计算方法，而按HG/T20582-2011《钢制化工容器强度计算规定》标准计算，其安全性有人提出了疑问。为了分析该计算方法是否安全，文章从以下几个方面进行讨论。

1 外压圆筒大开孔补强计算方法的适用性

在GB/T150.3-2011《压力容器》中外压圆筒的开孔补强采用等面积补强法计算，而等面积补强法有适用范围，对于外压圆筒上的开孔最大直径dop>Di/2的补强计算不适用等面积补强法，因而GB/T150.3-2011中没有给出其计算方法。在实际压力容器设计过程中，外压圆筒上的开孔最大直径dop>Di/2的补强计算可以按HG/T20582-2011《钢制化工容器强度计算规定》中“第7章 大开孔的补强计算”进行补强计算。在本标准第7章中的7.1.2条明确规定“本章适用于壳体承受内压的开孔补强，也可用于壳体承受外压的情况，承受外压时，可将外压作为内压，按承受内压的开孔补强方法进行补强计算。”该标准的开孔补强计算采用的是压力面积补强法。有人对此提出了质疑，对于圆筒来说，承受内压和承受外压时失效模式不一样，计算厚度也不一样，怎么在承受外压时，可将外压作为内压，按承受内压的开孔补强方法进行补强计算呢？这样进行补强计算安全吗？下面将分别从等面积补强法和压力面积补强法的计算模型來讨论这个问题。

2 等面积补强法的理论分析

等面积补强法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑拉伸薄膜应力对容器壳体的影响，且是以补齐开孔后壳体上一次总体平均应力的减少为原则的。当壳体上的开孔较小时，开孔边缘主要是产生薄膜应力，因此上述假设可以适用。但随着壳体开孔直径的增大，开孔边缘不仅存在薄膜应力，而且还产生很大的弯曲应力，因而要对该方法的开孔最大直径加以限制。

对于承受外压的圆筒，失稳时表现为周向弯曲，因此外压圆筒上开孔的补强与圆平板上的开孔补强相同。圆平板在压力作用下产生一次弯曲应力，开孔后抗弯强度受到削弱。因此，对于圆平板上的开孔补强原则为：补强后圆平板的弯曲强度与开孔前保持不变。当圆平板上的开孔直径大于直径的一半时，圆平板已趋向圆环，其受力状况与圆环相近，应按法兰进行计算，再用等面积补强法计算就不合适了。事实上，由于开孔处总存在接管，接管的存在会加强开孔处筒体抵抗外压失稳的能力，对带有接管的筒体在接管处的稳定性计算，并不是简单的以抗弯截面系数来表示的。

3 压力面积补强法的理论分析

压力面积补强法是以压力载荷的面积和壳体、接管、补强件的承载横截面积之间相互平衡为基础的，即由压力载荷的面积对压力乘积所表示的载荷和壳体、接管、补强件承载横截面积对材料许用应力的乘积之间相互平衡，亦即以特定的压力载荷面积来计及因开孔而引起的应力集中。其补强范围根据孔边应力集中的衰减范围由确定。对于承受外压的圆筒，压力面积补强法鉴于在开孔接管处虽然因开孔而对筒体的抗弯截面系数有所削弱，但由于总存在接管而对开孔处筒体的抗弯截面系数有所加强，所以并不会影响开孔处筒体抵抗外压的能力。因此，外压圆筒开孔补强计算采用压力面积补强法时，要关注的是由于开孔而引起的应力集中。此时，外压圆筒开孔补强计算要保证的是开孔处筒体的强度，而不是要保证开孔处筒体的稳定性，因此只需和内压筒体采用同样的设计方法。当然，开孔处筒体厚度应满足稳定性设计要求。根据对压力面积补强法的这一分析，才有了HG/T20582-2011标准第7章《大开孔的补强计算》中“承受外压时，可将外压作为内压，按承受内压的开孔补强方法进行补强计算”这一规定。

实际上，压力面积补强法和等面积补强法其开孔补强的基本原理是一致的，都是基于以开孔有效补强范围内的金属面积承载能力与内压力载荷相平衡的静力平衡法，但其补强的有效范围两者不同，等面积补强范围不论孔径大小都在孔径2倍的区域内，因此当孔径与壳体直径比较大时误差较大，从而不适用。而压力面积法其补强范围与孔径大小无关，其补强范围与开孔应力衰减范围相一致，因此可以用于孔径与壳体直径比较大的场合。目前，压力面积补强法越来越受到国际压力容器领域的重视，不仅已列为欧盟标准，为欧盟各国广泛应用，而且也被美国ASME所接受。HG/T20582-2011标准第7章《大开孔的补强计算》是根据欧盟标准EN1344的压力面积补强法进行编制的，并且根据国内在设计、材料和制造方面的一些实际情况，对其使用场合作了若干的限制，更加安全。因此按该标准进行的开孔补强计算，安全性是有保证的。

4 外压圆筒大开孔补强实例分析

现以一个实例来讨论一下外压圆筒大开孔补强计算。有一全真空钢制圆筒容器，内径为1000mm，材料为S30408，筒体厚度为10mm，设计温度50℃，外压计算长度为5000mm。圆筒中间有一个与筒体正交的圆形接管，接管内径为700mm，材料为S30408，接管厚度为10mm，接管伸出长度为300mm，接管采用板材卷焊。圆筒和接管的腐蚀裕量均为0。显然，该圆筒的开孔补强计算符合HG/T20582-2011标准第7章《大开孔的补强计算》的适用范围。

符号说明：Ri-圆筒内半径;di-接管内直径;δs-筒体名义厚度;δb-接管名义厚度;h1-接管外侧补强的有效高度;P-设计压力;b-筒体补强的有效宽度;C1-筒体厚度附加量;Aps-补强有效范围内筒体内的压力面积;C2-接管厚度附加量;Apb-补强有效范围内接管内的压力面积;[σ]s-筒体材料许用应力;Afs-筒体上开孔区有效承压金属面积;[σ]b-接管材料许用应力;Afb-接管上开孔区有效承压金属面积;Afw-补强连接处凸出筒体表面的焊接接头金属面积。