開孔補(bǔ)強(qiáng)方法在壓力容器設(shè)計(jì)中存在問題分析

劉文娟

（陜西陜化化工集團(tuán)有限公司機(jī)械修造分公司，陜西 渭南 714100）

1 概述

由于工藝流程的需要，在壓力容器的殼體和封頭上往往需要進(jìn)行開孔。開孔的結(jié)果不僅使容器的強(qiáng)度降低，而且在開孔周邊引起的應(yīng)力集中也會對容器帶來危害。目前，在壓力容器設(shè)計(jì)領(lǐng)域常用的開孔補(bǔ)強(qiáng)方法是基于彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的等面積設(shè)計(jì)法和基于塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的極限分析法。

殼體和封頭上的開孔應(yīng)為圓形、橢圓形。對非圓形開孔長短徑之比不大于2。殼體的開孔補(bǔ)強(qiáng)可采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)和整體補(bǔ)強(qiáng)兩種結(jié)構(gòu)形式。采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，應(yīng)遵循三項(xiàng)規(guī)定，即殼體和補(bǔ)強(qiáng)圈鋼材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值δ≤540MPa；補(bǔ)強(qiáng)圈厚度小于或等于1.5倍的殼體名義厚度；殼體名義厚度小于等于38mm。整體補(bǔ)強(qiáng)是指采取增加殼體厚度，或用全焊透的結(jié)構(gòu)形式將厚壁管或整體補(bǔ)強(qiáng)鍛件與殼體相焊的補(bǔ)強(qiáng)形式。

2 孔補(bǔ)強(qiáng)方法應(yīng)用概況

殼體開孔邊緣的應(yīng)力可以分為三種，即局部薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力以及峰值應(yīng)力。由于這三種應(yīng)力的性質(zhì)不同，因此補(bǔ)強(qiáng)的準(zhǔn)則也不盡相同。對于薄膜應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)的準(zhǔn)則是保障開孔局部截面的靜力強(qiáng)度或防止失穩(wěn)；對于彎曲應(yīng)力，由于它是因孔邊協(xié)調(diào)產(chǎn)生屬二次應(yīng)力，則補(bǔ)強(qiáng)的準(zhǔn)則從安定性方面加以考慮；孔邊的峰值應(yīng)力與破壞與疲勞相關(guān)聯(lián)。

唐玉江從理論分析的角度對補(bǔ)強(qiáng)圈、厚壁管和整體鍛件三種補(bǔ)強(qiáng)方法進(jìn)行了比較，王磊介紹了以在殼體有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域中的壓力載荷與殼體的承載能力相平衡為基礎(chǔ)的壓力面積法。于斐介紹了上述三種方法的區(qū)別。對于開孔處的應(yīng)力分析，王相意、張永田、王忠臣和王磊都提出可根據(jù)應(yīng)力分類準(zhǔn)則，將開孔與接管處的應(yīng)力分為：在開孔邊緣處的一次局部薄膜應(yīng)力，為滿足外部約束條件或結(jié)構(gòu)自身變形連續(xù)要求所需的二次彎曲應(yīng)力以及由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)或局部熱應(yīng)力影響而引起的附加于一次加二次應(yīng)力的峰值應(yīng)力。

3 種補(bǔ)強(qiáng)方法有限元模型的建立

3.1 容器結(jié)構(gòu)

內(nèi)徑為1000mm的圓柱形容器，采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，在封頭中心設(shè)置Φ325的內(nèi)齊平接管。設(shè)計(jì)壓力p=9MPa，設(shè)計(jì)溫度為150℃，接管的外伸高度為200mm，筒體與封頭的材料均為16MnR，接管的材料為20#鋼，采用全熔透焊縫。其中，在150℃下，16MnR的許用應(yīng)力為163MPa，20#鋼的許用應(yīng)力為132MPa。腐蝕裕量取2mm，鋼板厚度負(fù)偏差忽略不計(jì)。

3.2 模型尺寸的確定

根據(jù)GBl50-1998的計(jì)算方法，取封頭與筒體的名義厚度為36mm，接管的名義厚度為15mm。筒體向下截取300mm，所需的補(bǔ)強(qiáng)面積為6651m2，根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)圈標(biāo)準(zhǔn)JB／T4736-95，選用外徑為550mm的補(bǔ)強(qiáng)圈，補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度為32mm。根據(jù)厚壁管的標(biāo)準(zhǔn)，選用補(bǔ)強(qiáng)管的內(nèi)徑為293mm，補(bǔ)強(qiáng)段外徑為377mm，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)有專門的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，封頭補(bǔ)強(qiáng)段的厚度取56mm。

3.3 有限元模型的建立

在建立有限元模型時(shí)，采用軸對稱模型，單元采用PLANFA2號單元，在筒體的下端加Y向的約束，在模型的內(nèi)表面加9MPa的內(nèi)壓，在接管的頂端加向上的等效壓力。在補(bǔ)強(qiáng)罔樸強(qiáng)中，將焊縫與封頭建為一體。而補(bǔ)強(qiáng)罔與封頭之間則存在間隙。為了能進(jìn)行比較，在本文分析的各種補(bǔ)強(qiáng)形式中，金屬補(bǔ)強(qiáng)面積保持相同。

4 結(jié)果分析

4.1 封頭與接管處的應(yīng)力分布

從為補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)，厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)和整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖，可以看到在補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)中，最大應(yīng)力強(qiáng)度點(diǎn)出現(xiàn)在補(bǔ)強(qiáng)圈與封頭的焊縫位置，在厚壁管補(bǔ)強(qiáng)中，最大應(yīng)力強(qiáng)度出現(xiàn)在厚壁管與封頭的焊縫位置，而在整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)中，最大應(yīng)力強(qiáng)度出現(xiàn)在封頭與加厚部分的過渡區(qū)。最大應(yīng)力強(qiáng)度分別為 259MPa，277MPa和209MPa。在應(yīng)力強(qiáng)度分布方面，補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)在接管與封頭的連接處有明顯的應(yīng)力集中，在厚壁接管中也在此處存在應(yīng)力集中，而在整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)中，應(yīng)力分布比較均勻。從補(bǔ)強(qiáng)的效果上來看，補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)和厚壁管補(bǔ)強(qiáng)中只有一小部分補(bǔ)強(qiáng)材料真正起到了補(bǔ)強(qiáng)的作用，大部分的材料為低應(yīng)力區(qū)的材料利用率較低。而在整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)中，大部分材料都起到了補(bǔ)強(qiáng)的作用。

4.2 路徑分析

在接管內(nèi)壁應(yīng)力最大點(diǎn)處沿管壁厚度方向上，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)和厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)的膜應(yīng)力強(qiáng)度和膜加彎應(yīng)力強(qiáng)度相差不大，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)中應(yīng)力強(qiáng)度值比較低。而在接管上端遠(yuǎn)離開孔區(qū)，厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)的應(yīng)力強(qiáng)度值最小，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)的彎曲應(yīng)力強(qiáng)度比較大，從而導(dǎo)致其膜加彎應(yīng)力最大。在接管與封頭焊接處接管壁厚方向上，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)力強(qiáng)度值最小，補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)次之。

封頭靠近筒體的位置存在一處應(yīng)力集中，在應(yīng)力集中點(diǎn)沿封頭壁厚方向上，置種補(bǔ)強(qiáng)方式下應(yīng)力強(qiáng)度值相差不大。在最大應(yīng)力點(diǎn)處沿封頭厚度方向上，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)的膜加彎應(yīng)力強(qiáng)度最小，補(bǔ)強(qiáng)圈次之，厚壁管最大，

從上面的分析可以看出，厚壁接管除了在接管頂端處應(yīng)力強(qiáng)度最小外，各個(gè)路徑上的應(yīng)力強(qiáng)度值都比較大，為了改善這種狀況，可以采用內(nèi)伸管的方式。接管內(nèi)伸的長度不同時(shí)，其應(yīng)力強(qiáng)度值也是不一樣的，隨著內(nèi)伸長度的增加，接頭區(qū)的應(yīng)力強(qiáng)度值明顯減小，取內(nèi)伸長度為12mm，此時(shí)，接頭區(qū)的應(yīng)力強(qiáng)度分布云圖可以看到，最大應(yīng)力強(qiáng)度由齊平管時(shí)的277MPa減小到242MPa。接管內(nèi)壁的最大應(yīng)力點(diǎn)明顯內(nèi)移，說明內(nèi)伸段起到了補(bǔ)強(qiáng)的作用。接管內(nèi)伸之后，各條路徑上的應(yīng)力強(qiáng)度值比內(nèi)齊平條件下都有明顯的降低。與補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)相比，除了在最大應(yīng)力點(diǎn)處沿封頭厚度方向上膜加彎應(yīng)力強(qiáng)度略大之外．內(nèi)伸接管樸強(qiáng)在各路徑上應(yīng)力值均比較小，補(bǔ)強(qiáng)效果更明顯。

結(jié)論

本文對常用的壓力容器開7L補(bǔ)強(qiáng)方法進(jìn)行了分析，介紹了三種補(bǔ)強(qiáng)方法有限元比較分析，可以看出補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)效果不是很理想，會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，而且按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的補(bǔ)強(qiáng)圈趨于保守，有很大一部分補(bǔ)強(qiáng)金屬載荷值較小，最大值出現(xiàn)在焊縫區(qū)，對焊縫要求較高。齊平補(bǔ)強(qiáng)管的補(bǔ)強(qiáng)效果也不理想，存在較大的應(yīng)力集中，也有很大一部分補(bǔ)強(qiáng)金屬承載較低，同時(shí)對焊縫的要求很高。當(dāng)采用內(nèi)伸接管時(shí)，隨著內(nèi)伸長度的增加，接頭區(qū)應(yīng)力明顯變小，內(nèi)伸接管的補(bǔ)強(qiáng)效果較補(bǔ)強(qiáng)圈要好，但對焊縫的要求依然很高。整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)無論是在應(yīng)力分布還是最大應(yīng)力強(qiáng)度值方面都比前幾種補(bǔ)強(qiáng)方式效果好，但制造起來比較麻煩。

[1]唐玉江.中低壓容器開孔撲強(qiáng)結(jié)構(gòu)比較[J].石油化工設(shè)計(jì)，2002，19(1)：45-48.

[2]王磊.壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法比較[J].石油化工設(shè)計(jì)，2002，19(2)：17-19.

[3]于斐.壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)及處理方法[J].管道技術(shù)與設(shè)計(jì)，2001(6)：14-16.