压力容器接管许用外荷载值的探讨

张军文

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

在石化装置中，压力容器通过管道相连接。管道与容器接管相互影响，相互作用，产生相互作用力和力矩。这种力和力矩将在容器接管的连接区域产生局部应力，如果应力超过一定的限值，可能会引起接管或接管根部壳体发生破坏。工程实践中，通常会设定一个与接管规格及压力等级相对应的接管许用外荷载值，设备专业根据这个值设计容器上的管口，保证这些管口除应能够满足容器本身的设计条件(包括设计温度、设计压力等)外，还能够承受外部管道产生的限定的外荷载值【1】；配管专业根据限定值进行配管，将接管外荷载值控制在限定的范围内，只有当某个力或力矩超出限定值较小范围，且降下来难度较大时，才将此受力交予设备专业确认，如果确认通过则说明该设计安全可行。这一预先设定的接管许用外荷载值大大减小了设备和管道应力两个专业相互的设计确认工作，但是在接管许用外荷载值的确定、使用及超出规定值的校核计算过程中经常会出现一些问题。下面将针对接管许用外荷载值的选用、确定，使用限定条件，超出选用值的核算方法及核算过程中存在的一些问题进行阐述，以期能够帮助设计者在避免过度设计的同时保证设计产品的安全。

1 接管许用外荷载值的确定

接管许用外荷载值的确定需要设备和管道应力两个专业共同商定，该值大一些方便配管设计，但却增大了设备设计难度，同时可能导致设备壁厚的增加，从而造成投资增大；小一些虽然有利于设备设计及降低设备的成本，但是配管难度较大，对于管道布置空间、特殊管道支架设置会有更多的要求，如果反复计算及相互确认始终无法通过，反而会影响项目整体进度。基于以上原因，该值一般会控制在一定范围内，既保证大量管口受力不需要反复核算确认，又能将设备制造成本控制在合理的范围内。对于该许用值，国内项目一般执行SH/T 3074—2018《石油化工钢制压力容器》附录D的要求。对于海外项目，业主一般会在报价中给出一个与SH/T 3074—2018相类似的外荷载值规定。

该值的使用过程中需要注意以下几点：

1) 该限定值限定的是除人、手孔和仪表开口外所有设备的外接管，即使某设备所有管口所接的管道都不在应力计算范围之内，管口的允许受力也应该满足该限定值的要求，不进行应力计算并不代表该管口不承受接管外荷载；

2) 对于国内项目，当执行SH/T 3074标准时，如图1所示，该限定值给出的分界处是在接管接口处或接管法兰处，而一般接管外荷载局部应力的校核方法校核的都是接管根部，接管长度及壁厚的不同会造成这两处受力的差异，校核过程中应加以注意；

图1 接管外荷载示意

3) 对于国外项目，业主给定的接管外荷载值一般在接管根部，管道应力分析时应根据设备资料准确模拟接管的长度、直径和壁厚，从而得到准确的结果；

4) 限定值所限定的设备一般是针对塔、罐、换热器等静设备，对于空冷器、板式换热器、储罐等设备，其许用的接管外荷载值有特定的标准加以限定，除另有说明外一般不执行该限定值的要求。

2 超出许用值的核算方法

工程上常用的计算局部应力的方法有WRC 107、WRC 297以及EN 13445，这几种方法都是公式计算法，对于接管的形式、开孔位置及容器与接管的径厚比都有着各自不同限定条件。当公式法无法计算或无法通过校核需要进一步分析时，一般会通过有限元建模分析得到更精确的解。

WRC 107适用于封头处的接管。WRC 297是在WRC 107基础上的补充，是以斯蒂尔(Steele C R)两垂直相交的薄壁圆筒模型导出的，专门用于圆筒壳体上接管承受外荷载对壳体产生的局部应力的计算，考虑了壳体开孔的影响，不仅能计算在接管根部壳体本身的局部应力，还可以计算在接管根部接管本身的局部应力【2】。

不同于WRC 297，欧盟在EN 13445中给出了不同的接管局部应力的计算方法，适用于封头处接管及圆筒壳体上径向接管，其计算过程可以分为以下几步：

1) 根据前置条件判定是否适用于该方法校核；

2) 根据容器尺寸、接管尺寸等基本参数计算出辅助参数，再辅以标准中提供的图表分别求出在各种荷载下对应的应力增大系数，从而计算出作用于接管上的最大允许压力Pmax(MPa)、最大允许轴向力FZ,max(N)、最大允许平面内力矩MY,max(N·m)和最大允许平面外力矩MX,max(N·m)；

3) 分别计算管道应力专业提供的实际的接管外荷载值与上一步计算的最大允许外荷载值的比值，并将这些荷载比值限制在一定范围之内；

4) 计算轴向力FZ(N)、压力P(MPa)，平面内力矩MY以及平面外力矩MX共同作用下壳体和接管连接部位的最大应力，将总应力控制在3倍的许用应力值之内；

5) 按式(1)计算并校核接管处的整体应力情况

(1)

式中：e——接管壁厚，m；

d——接管直径，m；

fb——接管材料在所对应的温度下的许用应力值【3】，MPa。

上述几种公式计算方法仅适用于一定开孔方式、一定开孔率及主壳径厚比条件下的校核，对于限定条件之外开孔，如锥段开孔、平板开孔或筒体非径向位置开孔，一般都需要通过有限元的方法来校核。

3 核算过程中存在的一些问题

在设计过程中，由于一些设计人员对标准、校核方法的理解不到位或者是没有专门的有限元分析人员无法进行有限元分析，经常会出现以下几点问题：

1) 在确认受力的过程中人为地扩大公式计算法的适用范围，对于一些不适用的接管，也使用该方法进行校核，导致其计算结果不可靠，无法保证设备本体的安全。

2) 对于一些复杂的接管受力，用接管法兰的校核方法——“当量压力法”来限制接管允许受力。该问题主要来自于SH/T 3074中的条文规定：“必要时，需校核容器壳体在管道外荷载作用下的局部应力及接管法兰处的当量计算压力”。

用法兰校核来代替接管校核存在几点问题：

首先，法兰校核通过了不代表接管根部的校核就能通过；其次，法兰校核的方法有多种，当量压力法校核不通过不代表法兰就肯定会泄漏；最后，当量压力法是一种非常保守的法兰校核方法，对于一些高温低压设备中管嘴口径在DN200及以下、法兰压力等级在300 LB及以下的法兰来说尤甚。如某装置的再生进料罐，操作、设计压力分别是0.18 MPa和0.35 MPa，操作、设计温度分别是369 ℃和470 ℃，筒体材质为14Cr1MoR，管口压力等级为150 LB，当荷载为SH/T 3074附录D所对应的荷载时，其DN200及以下接管法兰按当量压力法进行校核的结果如表1所示。由表1可见，一些接管的法兰校核结果为法兰设计压力的3倍多，而使用NC 3658.3校核时，其结果为校核通过。

表1 DN200及以下150 LB接管法兰当量压力法的校核结果

关于法兰校核的方法，很多文章都进行过对比研究，本文不再赘述。总之，对于小口径低磅值的接管通过当量压力法来控制接管外荷载会将接管允许受力限定在一个非常小的范围内，使配管设计难度增大。前文中提到，在国外项目中，接管外荷载的分界处在接管根部。这一划分将接管处法兰的校核划入到了管道应力专业的工作范围。一般在海外项目中，不是所有的法兰都需要进行校核，校核的范围一般限定在高磅值(600 LB及以上)、大口径(DN600及以上)法兰，且给出了多种法兰校核的方法，除当量压力法外，还有NC 3658.3、EN 13445、ASME Sec.Ⅷ以及有限元方法等等，任一种方法校核通过，其方案都判断为可行。

4 结论

1) 接管许用外荷载值应控制在一个合理的范围内，既保证大量管口受力能够快速通过校核，又能减小设计工作量，同时将设备制造成本控制在合理的范围内；

2) 接管局部应力有多种校核方法，不同的方法有不同的限定范围，使用前应仔细核对该方法所限定的开孔方式(是否为径向等)、开孔位置、开孔率及主壳径厚比等条件，适用范围外的计算结果是不可采信的；

3) 对于一些复杂的接管，用接管法兰的校核方法——当量压力法来限制接管允许受力不可取，尤其是对于口径DN200及以下、法兰压力等级300 LB及以下的法兰接管。