郭 凱 李大偉 郭 奇

(燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院)

GB150-2011與ASMEⅧ-12013等面積補(bǔ)強(qiáng)法的對(duì)比與原理分析

郭 凱*李大偉 郭 奇

(燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院)

對(duì)GB 150-2011和ASME Ⅷ-1 2013的等面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行了差異分析。通過(guò)有限元分析法，從開(kāi)孔直徑限制和開(kāi)孔豁免補(bǔ)強(qiáng)兩方面分析了兩種標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別和原理。給出了兩種標(biāo)準(zhǔn)在具體計(jì)算時(shí)的差別與要求。提出一種實(shí)際中借鑒ASME Ⅷ-1 2013相關(guān)規(guī)定的壓力容器設(shè)計(jì)方法。

壓力容器 ASME Ⅷ-1 2013 GB 150-2011 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng) 有限元分析

符 號(hào) 說(shuō) 明

A——開(kāi)孔削弱所需要的補(bǔ)強(qiáng)截面積，mm2；

A1——?dú)んw有效厚度減去計(jì)算厚度之外的有效補(bǔ)強(qiáng)面積，mm2；

A2——接管壁多余厚度的有效補(bǔ)強(qiáng)面積，mm2；

A3——接管內(nèi)伸到容器壁以內(nèi)時(shí)的有效補(bǔ)強(qiáng)面積，mm2；

A4——接管焊縫有效補(bǔ)強(qiáng)面積，mm2；

A5——外加補(bǔ)強(qiáng)材料作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積，mm2；

d——開(kāi)孔直徑，mm；

d1、d2——相鄰兩開(kāi)孔的直徑，mm；

fr——強(qiáng)度削弱系數(shù)，接管材料與筒體或封頭材料許用應(yīng)力的比值，fr≤1；

K——載荷組合系數(shù)，一般為1.00～1.25；

Sa——交變應(yīng)力幅，MPa；

Sm——設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度，MPa；

t——ASME Ⅷ-1 2013中容器壁的有效厚度，mm；

te——ASME Ⅷ-1 2013中補(bǔ)強(qiáng)元件的厚度或高度，mm；

tn——ASME Ⅷ-1 2013中接管壁的有效厚度，mm；

tr——ASME Ⅷ-1 2013中E=1時(shí)的殼體或封頭計(jì)算厚度，mm；

θ——開(kāi)孔中心連線與殼體縱軸間的夾角，(°)；

δ——?dú)んw或封頭的計(jì)算厚度，mm；

δe——?dú)んw或封頭的有效厚度，mm；

δn——?dú)んw或封頭名義厚度，mm。

隨著我國(guó)化工設(shè)備制造能力的不斷提升，許多大型化工設(shè)備制造廠的產(chǎn)品(主要依據(jù)ASME相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制造)出口到國(guó)外。作為建立并完善數(shù)十年的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)，ASME系列標(biāo)準(zhǔn)在機(jī)械領(lǐng)域中得到了世界上大多數(shù)國(guó)家的認(rèn)可。其中ASME Ⅷ-1 2013是壓力容器領(lǐng)域中最早、最全面、最完善的國(guó)際性規(guī)范。GB 150-2011是我國(guó)最新修訂的權(quán)威壓力容器標(biāo)準(zhǔn)，雖然與ASME Ⅷ-1 2013相比存在許多不足之處，但是與我國(guó)的生產(chǎn)和制造水平更加相適應(yīng)[1,2]。

隨著壓力容器制造技術(shù)和工藝的不斷發(fā)展，建造標(biāo)準(zhǔn)也在不斷更新，導(dǎo)致壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)許多新的技術(shù)問(wèn)題。而壓力容器的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)問(wèn)題是壓力容器設(shè)計(jì)和校核中較為常見(jiàn)的一類問(wèn)題。GB 150-2011和ASME Ⅷ-1 2013中，主要采用等面積方法對(duì)壓力容器的補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算，但是兩種標(biāo)準(zhǔn)在開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算和規(guī)定上有一定的差別[3]。為此，我國(guó)許多工程技術(shù)人員對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了研究，王立對(duì)GB 150-2011與ASME Ⅷ-1 2013中等面積的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行了對(duì)比[4]；薛明德等對(duì)GB 150-2011的計(jì)算方法和一些規(guī)定給出了說(shuō)明和解釋[5]；夏致云對(duì)比了GB 150-2011和ASME Ⅷ-1 2013開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的基本計(jì)算方法[6]；王嬌琴對(duì)比了ASME Ⅷ-1 2013和GB 150-2011，并提出以GB 150-2011為主、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG 20582-1998和HG 20583-1998為參考的壓力容器設(shè)計(jì)方法[7]。但是這些研究?jī)H限于計(jì)算方法和規(guī)定的差別分析，并沒(méi)有針對(duì)區(qū)別進(jìn)行原理分析，而且對(duì)借鑒ASME Ⅷ-1 2013和處理具體問(wèn)題的方法也沒(méi)有給出說(shuō)明。為此，筆者通過(guò)對(duì)ASME Ⅷ-1 2013和GB 150-2011進(jìn)行差異分析，將差別歸類，給出原理分析并通過(guò)有限元分析法給出解釋，最終借鑒ASME Ⅷ-1 2013相關(guān)經(jīng)驗(yàn)提出可行的壓力容器設(shè)計(jì)方法，保證設(shè)備的安全性。

1 兩種標(biāo)準(zhǔn)中等面積補(bǔ)強(qiáng)法的主要區(qū)別

壓力容器開(kāi)孔后，器壁承載面被削弱，引起局部應(yīng)力的增加和容器承載能力的減弱。器壁開(kāi)孔和接管破壞了接管原有結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，從而產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力。而ASME Ⅷ-1 2013和GB 150-2011都以無(wú)限大平板開(kāi)小孔的孔邊應(yīng)力分析為理論基礎(chǔ)，但實(shí)際上壓力容器開(kāi)孔面并不是平面，具有一定的曲率[8]。同時(shí)，接管尺寸和材料也會(huì)造成結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的情況。所以，在壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí)需要考慮溫度、壓力、容器和接管材料、開(kāi)孔尺寸及附近焊縫位置等條件，并在計(jì)算過(guò)程中對(duì)不同情況給出設(shè)計(jì)說(shuō)明。GB 150-2011和ASME Ⅷ-1 2013的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1，2]。在壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中，等面積補(bǔ)強(qiáng)法都是A≤A1+A2+A3+A4+A5，主要的計(jì)算方法也是相同的。具體區(qū)別體現(xiàn)在：開(kāi)孔直徑的限制、豁免補(bǔ)強(qiáng)條件、計(jì)算中參數(shù)的確定和接管與焊縫的具體要求。

2 開(kāi)孔直徑限制與開(kāi)孔豁免補(bǔ)強(qiáng)的判別原理分析

2.1開(kāi)孔直徑限制

基于相同的補(bǔ)強(qiáng)原理，ASME Ⅷ-1 2013和GB 150-2011對(duì)于開(kāi)孔直徑的要求基本相同，具體參數(shù)見(jiàn)表1。但是在GB 150-2011的適用開(kāi)孔范圍中，內(nèi)徑Di≤1500mm時(shí)開(kāi)孔最大直徑上限與Di>1500mm時(shí)開(kāi)孔最大直徑下限存在矛盾。這是由于GB 150早期版本參照ASME英制換算圓整，而新版本沒(méi)有做出改變依然沿用GB 150-1998的數(shù)據(jù)造成的。但是由于GB 150-2011已正式實(shí)施，而目前的勘誤表中并沒(méi)有給出相關(guān)解釋，因此有必要在開(kāi)孔直徑為520mm時(shí)進(jìn)行安全性分析；而ASME Ⅷ-1 2013則沒(méi)有出現(xiàn)自相矛盾的問(wèn)題。

表1 開(kāi)孔尺寸限制對(duì)照表

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者使用有限元分析法對(duì)最危險(xiǎn)的模型進(jìn)行應(yīng)力分析。選取開(kāi)孔最大(Di=1040mm)的筒體進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)分析，選擇最大開(kāi)孔直徑為520mm，由于開(kāi)孔直徑較大，選擇卷焊筒體作為接管。首先對(duì)520mm開(kāi)孔模型進(jìn)行建模，模型為旋轉(zhuǎn)薄殼和薄壁管道的組合，由于本實(shí)驗(yàn)主要對(duì)整體進(jìn)行分析，因此采用整體建模的方式[9]。劃分網(wǎng)格時(shí)需要考慮管壁厚度的影響，所以劃分單元需要在一定程度上小于壁厚才能保證得到合理的應(yīng)力分布圖。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為了減少運(yùn)算量，保證模型內(nèi)部接觸部分網(wǎng)格的過(guò)渡，宜采用自動(dòng)劃分。由于建模中選用部分筒體進(jìn)行建模，因此筒體部分邊緣要施加適當(dāng)?shù)募s束和載荷，以保證模擬的準(zhǔn)確性。GB 150-2011基于旋轉(zhuǎn)薄殼理論，即在沒(méi)有開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的條件下應(yīng)力是沿著壁厚均勻分布的，因此徑向的應(yīng)力可轉(zhuǎn)化成分布于面的均布載荷，對(duì)模型內(nèi)表面施加均勻的壓力載荷[10]。設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa時(shí)的開(kāi)孔模型應(yīng)力強(qiáng)度和當(dāng)量Mises應(yīng)力分布結(jié)果如圖1所示。在線性化時(shí)在最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)沿管壁厚度方向做路徑，得到的應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)表2。

圖1 設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa時(shí)的開(kāi)孔模型應(yīng)力分布

項(xiàng)目設(shè)計(jì)壓力/MPa0.61.01.65.010.0判據(jù)值薄膜應(yīng)力/MPa85.6757.0584.69174.85291.65不大于1.5KSm薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力/MPa80.31145.56184.49314.85472.80不大于3.0Sm峰值應(yīng)力/MPa271.00265.75265.28183.10258.53不大于1.5KSm最大當(dāng)量Mises應(yīng)力/MPa269.10360.70404.52475.88687.17不大于Sa最大應(yīng)力強(qiáng)度/MPa375.90262.30406.29476.23691.01不大于Sa補(bǔ)強(qiáng)圈厚度/mm2461632不大于1.5δn

由表2可知，在設(shè)計(jì)壓力較小時(shí)，峰值應(yīng)力較大。隨著設(shè)計(jì)壓力的增大峰值應(yīng)力變化不大，薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力不斷增大。設(shè)計(jì)壓力為5.0MPa時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)圈厚度已經(jīng)接近筒體厚度。而且通過(guò)應(yīng)力分析可以看出，設(shè)計(jì)壓力較大時(shí)，已經(jīng)不符合安定性分析準(zhǔn)則要求。因此在直徑1 500mm以下的開(kāi)孔中，有超過(guò)500mm的開(kāi)孔時(shí)最好根據(jù)JB 4732-1995的要求進(jìn)行分析設(shè)計(jì)和校核[11]。

2.2開(kāi)孔豁免補(bǔ)強(qiáng)

GB 150-2011中不需補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的開(kāi)孔限制條件較多，且規(guī)定不另行補(bǔ)強(qiáng)的開(kāi)孔不能位于A、B類焊縫上，設(shè)計(jì)壓力不大于2.5MPa。而在ASME Ⅷ-1 2013中則規(guī)定了對(duì)于壓力無(wú)急劇波動(dòng)的容器上的開(kāi)孔，規(guī)定不需補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的開(kāi)孔雖不能開(kāi)在A類接頭上，但允許開(kāi)在B類或C類對(duì)接接頭上，且在補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算中引入了焊接接頭系數(shù)E1。ASME Ⅷ-1 2013分別給出了圓筒形殼體或錐殼和由兩個(gè)曲面組成的殼體和成型封頭或平封頭的最大中心距L的計(jì)算方法：

L筒體≥(1+1.5cosθ)×(d1+d2)

L封頭≥2.5(d1+d2)

顯然，ASME Ⅷ-1 2013系統(tǒng)地對(duì)豁免情況進(jìn)行了規(guī)定與說(shuō)明[12]，因此筆者不再贅述。

3 兩種標(biāo)準(zhǔn)中具體計(jì)算的差別

3.1兩種標(biāo)準(zhǔn)中計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)面積時(shí)的差別

GB 150-2011在計(jì)算開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積上雖總體上參照ASME Ⅷ-1 2013，但也有諸多不同，主要有以下3點(diǎn)。

第一，計(jì)算所需補(bǔ)強(qiáng)面積A時(shí)，GB 150-2011未引入ASME Ⅷ-1 2013中的應(yīng)力校正系數(shù)F，因此當(dāng)遇到圓筒上的非圓形斜開(kāi)孔和圓筒或錐殼上的多個(gè)開(kāi)孔時(shí)無(wú)法進(jìn)行計(jì)算。對(duì)比所需補(bǔ)強(qiáng)的金屬面積計(jì)算公式，在GB 150-2011中開(kāi)孔處筒體厚度δ考慮了焊接接頭系數(shù)所以計(jì)算的面積較大，比ASME Ⅷ-1 2013保守。實(shí)際上，這部分金屬面積如果沒(méi)有通過(guò)焊縫就不需要增加由焊縫造成的結(jié)構(gòu)削弱，因此ASME Ⅷ-1 2013的規(guī)定更為合理，對(duì)材料的利用更為充分。GB 150-2011和ASME Ⅷ-1 2013中的補(bǔ)強(qiáng)面積計(jì)算式分別為：

A=dδ+2δδe(1-fr)

A=dtrF+2ttrF(1-fr)

第二，GB 150-2011在計(jì)算殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的有效補(bǔ)強(qiáng)面積時(shí)沒(méi)有引入接頭焊縫系數(shù)，對(duì)于通過(guò)或鄰近開(kāi)孔的A、B類焊縫需要保證其焊縫在一定范圍內(nèi)沒(méi)有超標(biāo)缺陷存在。ASME Ⅷ-1 2013引入了焊接接頭系數(shù)E1，可對(duì)開(kāi)孔經(jīng)過(guò)焊縫時(shí)進(jìn)行計(jì)算。

3.2接管和焊縫的具體要求

GB 150-2011只要求接管壁厚滿足壓力作用即可，沒(méi)有像ASME Ⅷ-1 2013一樣對(duì)附加應(yīng)力進(jìn)行考慮。GB 150-2011只列出了接管與筒體典型的焊接結(jié)構(gòu)，而ASME Ⅷ-1 2013還要求對(duì)連接焊縫進(jìn)行強(qiáng)度校核，并規(guī)定了具體的校核方法。GB 150-2011只考慮了內(nèi)壓力對(duì)接管的作用，而沒(méi)有考慮附加應(yīng)力對(duì)接管的作用，而很多情況下接管材料為無(wú)縫鋼管，其材料性能低于筒體，可能產(chǎn)生接管處的附加應(yīng)力，需要通過(guò)應(yīng)力分析給出解釋。

對(duì)于一個(gè)典型的中壓力容器，其設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，筒體內(nèi)徑為2 600mm，材料為Q345R。利用Origin軟件得到DN100mm模型開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)前后的應(yīng)力分布結(jié)果如圖2所示。找到危險(xiǎn)點(diǎn)位置后，對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)附近進(jìn)行不同尺寸模型的應(yīng)力線性化分析，選擇接管沒(méi)有自限位置的危險(xiǎn)點(diǎn)為研究對(duì)象，其應(yīng)力線性化結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 DN100mm模型開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)前后的應(yīng)力分布結(jié)果

應(yīng)力DN80mmDN100mmDN125mmDN150mm補(bǔ)強(qiáng)前補(bǔ)強(qiáng)后補(bǔ)強(qiáng)前補(bǔ)強(qiáng)后補(bǔ)強(qiáng)前補(bǔ)強(qiáng)后補(bǔ)強(qiáng)前補(bǔ)強(qiáng)后薄膜應(yīng)力/MPa33.4225.8822.1116.84100.2793.1833.2711.95薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力/MPa99.4983.12111.1979.19115.5583.0999.8186.95峰值應(yīng)力/MPa224.39247.67265.44257.27270.09278.96223.09312.49最大當(dāng)量Mises應(yīng)力/MPa100.21102.06109.34106.24119.73164.93119.82222.76

由圖2可以看出，補(bǔ)強(qiáng)之前接管上有部分較高應(yīng)力區(qū)位于結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，在補(bǔ)強(qiáng)之后高應(yīng)力沒(méi)有得到減小反而有些向外擴(kuò)展。由表3可以看出，接管處的實(shí)際應(yīng)力大于單純的由壓力引起的薄膜應(yīng)力。在表3中，取接管位于焊縫之外的節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力處，可以看出補(bǔ)強(qiáng)之后的薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力有所減小，但是當(dāng)量應(yīng)力反而增大。選擇當(dāng)量應(yīng)力最大處，在補(bǔ)強(qiáng)后明顯有一部分沿管壁的應(yīng)力增大，而且該部分周圍沒(méi)有容器約束，這樣管壁的受力情況就不只是由于內(nèi)壓力造成的薄膜應(yīng)力。

實(shí)驗(yàn)中采用的尺寸是名義厚度，如果采用有效厚度有可能造成屈服，在有循環(huán)載荷和熱應(yīng)力的情況下應(yīng)力值更加增大。由于部分高應(yīng)力分布區(qū)在管壁沒(méi)有筒體和補(bǔ)強(qiáng)圈約束的位置，這樣就需要考慮管子所受內(nèi)壓以及對(duì)附加應(yīng)力進(jìn)行校核或適當(dāng)增加壁厚。

4 結(jié)論

4.1在GB 150-2011適用的開(kāi)孔范圍中，內(nèi)徑Di≤1500mm時(shí)開(kāi)孔最大直徑上限與Di>1500mm時(shí)開(kāi)孔最大直徑下限存在矛盾，而ASME Ⅷ-1 2013則沒(méi)有該矛盾。通過(guò)無(wú)熱應(yīng)力條件下520mm開(kāi)孔的應(yīng)力分析可以看出，當(dāng)壓力大于5.0MPa時(shí)，按等面積補(bǔ)強(qiáng)后不能保證結(jié)構(gòu)安全。

4.2GB 150-2011只考慮了內(nèi)壓力對(duì)接管的作用，沒(méi)有考慮附加應(yīng)力對(duì)接管的作用。而在很多情況下接管材料為無(wú)縫鋼管，其材料性能低于筒體，對(duì)于接管處的附加應(yīng)力需要通過(guò)應(yīng)力分析給出解釋，發(fā)現(xiàn)接管實(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)超過(guò)按照壓力作用所計(jì)算的值。

4.3ASME Ⅷ-1 2013引入了強(qiáng)度修正系數(shù)，增加了標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍。GB 150-2011未引入ASME Ⅷ-1 2013的應(yīng)力校正系數(shù)F，當(dāng)遇到圓筒上的非圓形斜開(kāi)孔和圓筒或錐殼上的多個(gè)開(kāi)孔時(shí)無(wú)法進(jìn)行計(jì)算。

4.4總體上ASME Ⅷ-1 2013相較于GB 150-2011更加完善，在實(shí)際設(shè)計(jì)中如果按照GB 150-2011的規(guī)定出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，可以參考ASME Ⅷ-1 2013中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用JB 4732-1995進(jìn)行校核，以提高設(shè)備的安全性，縮短設(shè)計(jì)周期。當(dāng)接管材料強(qiáng)度與筒體強(qiáng)度相差較多時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)接管附加應(yīng)力進(jìn)行校核。

[1] GB 150-2011,壓力容器[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

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ComparsionandAnalysisofAreaReplacementReinforcementsStipulatedinGB150-2011StandardandASMEⅧ-1 2013Code

GUO Kai, LI Da-wei, GUO Qi

(CollegeofEnvironmentalandChemicalEngineering,YanshanUniversity,Qinhuangdao066004,China)

Differential analysis of the area replacement reinforcements stipulated in GB 150-2011A Standard and SME Ⅷ-1 2013 Code was implemented. Through employing the finite element analysis method and starting with stipulations on opening diameter and opening reinforcement, the difference and principle of the two standards were analyzed to have ASME Ⅷ-1 2013 Code referred to propose a new design method for pressure vessels.

press vessels, ASME Ⅷ-1 2013, GB 150-2011, opening reinforcement, finite element analysis

*郭 凱，男，1989年6月生，碩士研究生。河北省秦皇島市，066004。

TQ051.3

A

0254-6094(2016)06-0705-05

2015-12-14，

2016-11-05)