某试验用压力容器平盖开排孔设计计算方法探讨

赵彬彬 金东杰 张 焱 马计中 贾金付

（中核能源科技有限公司）

某试验用压力容器的工作介质为去离子水和氮气，由于该设备有清洁度的要求，其筒体和上封头均采用不锈钢复合板， 底部平盖采用20MnMo堆焊不锈钢材料。 为模拟反应过程产生的热量，需在底部平盖上设置121根电加热棒元件，则底部平盖得开121个排孔，平盖通孔与电加热棒套管为过盈配合。 由于危险截面上排孔相邻两孔中心距小于两孔平均直径的1.5倍，不能满足GB 150.3—2011 《压力容器 第三部分：设计》 中有关平盖上开多个孔计算方法的适用范围［1］，为探究此平盖上开排孔的设计计算，笔者分别采用GB 150.3—2011中壳体开排孔的补强要求、 平盖开当量单孔的补强方法和按GB/T 151—2014《热交换器》将平盖类比成管板［2］进行设计计算的3种方法，对开有排孔的平盖进行强度计算和分析。

1 平盖排孔形式

压力容器底部平盖上设有121根电加热棒，电加热棒套管穿过ϕ27.25 mm的排孔与底部平盖焊接，平盖上的电加热棒套管安装孔如图1所示。电加热棒套管与平盖通孔采用过盈配合，套管顶部外伸出堆焊层3 mm并与底部平盖堆焊层采用角焊缝连接；电加热棒从套管中穿过，其底部与套管焊接。

图1 平盖上的电加热棒套管安装孔示意图

2 平盖设计计算

2.1 采用壳体上开排孔的计算方法

壳体上开排孔时，采用排孔削弱系数代替焊接接头系数，进行壳体厚度计算。 若参考此方法对开排孔平盖进行校核，应注意壳体的受力状态不同于平盖。 对于受内压圆筒，环向应力是轴向应力的两倍，当排孔沿轴向规则分布且管孔节距每排相等时，应计算轴向孔排削弱系数；对于规则的多排轴向排孔，应校核当量轴向排孔削弱与对角向排孔削弱， 而平盖任意方向受力一致，因此应取任意径向截面的削弱系数的最小值，任意径向削弱系数ν1的计算式为：

式中 dop——开孔直径，mm；

S1——管孔的轴向节距，mm。

经计算得径向削弱系数ν1=0.27。

对GB/T 150.3—2011标准中平盖厚度计算公式加以修正，用排孔削弱系数代替公式中的焊接接头系数， 则开排孔后平盖的计算厚度δp的计算式为：

式中 Dc——平盖计算直径，mm；

K——结构特征系数；

pc——计算压力，MPa；

［σ］t——设计温度下平盖材料的许用应力，MPa。由式（2）算得底部平盖的计算厚度δp=392 mm。

2.2 采用平盖当量开孔的计算方法

螺栓垫片连接的圆平盖在受内压情况下将产生弯曲变形，最大应力在中心区，主要应力类型为一次弯曲应力，开孔导致底部平盖的抗弯截面模量减小、强度削弱。 平盖上相邻通孔之间有9.75 mm的孔桥， 它对开孔补强具有一定的加强作用。 可保守地忽略孔桥的加强作用，将121个通孔近似看成一个当量圆形开孔，当量圆形开孔的直径覆盖整个正方形开孔区，取正方形开孔区的对角线长度为当量开孔的直径， 按GB/T 150.3—2011平盖开单个孔的补强计算方法，对平盖进行开孔补强计算。

对于平盖开单个孔，且开孔直径dop≤0.5D0（D0为平盖计算直径），开孔削弱所需的最小补强面积A为：

只考虑平盖有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，忽略接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积和焊缝金属截面积，则平盖当量开孔后可作为补强的截面积A1为：

式中 B——有效宽度，mm；

δe——壳体开孔处的有效厚度，mm；

δ——壳体开孔处的计算厚度，mm。

当A≤A1时，补强满足要求，即：

由式（5）算得排孔平盖满足补强要求的最小计算厚度δ=302 mm。

2.3 类比成管板的计算方法

GB/T 151—2014中将管板看成两部分：一部分是中间受排孔削弱的圆平板；另一部分是边缘的非布管区［3］。 对于U形管板只考虑管孔的开孔削弱系数μ=0.4，换热管对管板没有加强作用。 类似的，由于本平盖周边用螺栓固定，将平盖视为受开孔削弱的当量简支圆平板，开孔削弱系数按U形管板的开孔削弱考虑［4］，所以由内力pc和法兰弯矩M引起的应力叠加得到该管板的最大应力，最大应力σmax的计算式为：

由式（7）算得管板计算厚度δ=210 mm。

3 计算结果汇总

将3种计算方法的结果列于表1。 由表1可知，壳体上开排孔的方法和平盖当量开孔的计算方法都是遵循GB 150—2011中关于开孔的补强法则，因依据第一强度理论，故应力水平都按1.0倍许用应力进行评价；底部平盖类比成管板的理论基础遵循GB/T 151—2014中的计算法则，因依据第三强度理论，故应力水平按1.5倍许用应力进行评价。

表1 3种计算方法的结果汇总

4 结束语

根据GB 150—2011中平盖上开多个孔的计算法则（ν≥2K），算得削弱系数ν=0.44。 采用类比成管板的计算方法， 当换热管中心距为1.25d时，削弱系数取0.40；按壳体上开排孔的计算方法，削弱系数取0.27， 显然此法算得的平盖厚度较厚过于保守； 按U形管换热器管板的计算是一种解析法，计算结果得到的管板厚度最经济。 另外，考虑到带螺栓垫片平盖的密封性，宜采用平盖上当量开孔的计算方法，而该方法因忽略孔桥的加强作用，故其计算结果也偏于保守。