不同标准大开孔补强计算方法的分析比较.pdf

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1、748化工机械2013年不同标准大开孔补强计算方法的分析比较占双林+袁玲(中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司)按要压力容器篱体土大开孔补强是压力容器设计的关键。GB150．3-2011的分析法、HG／T20582-2011的压力面积法、ASMEVII-l附录1-7的膜一弯曲应力法及ASMEⅧ．1附录1．10的压力一面积应力法是目前解决该问题的凡种计算方法。通过对4种方法的计算理论和应用于实际姑襁的计算结果进行分析比较，指出分析法和压力一面积应力法是安全可靠的，膜一弯曲应力法的计算结果是偏于保守和安全的。压力面积法安全裕度尚显不够。关t词压力容器大开孔补强中圈分类号TQ051．3文献标识

2、码A文章编号0254-6094(2013)06-0748-05在压力容器筒体上开孔接管对容器的不利影响主要有3方面：一是开孔削弱了容器壳体材料整体的承压能力；二是开孔导致了开孔处应力集中的产生；三是接管和器壁构成不连续结构，从而在接管的一定长度范围和器壁孔边附近引起二次应力和峰值应力。这些影响因素的存在将直接导致接管连接处的应力远高于未开孔时壳体内的应力。因此，开孔接管处往往成为容器破坏的原发部位，需要对其进行合理的开孔补强设计，以保证设备的安全运行。通常可采用常规的等面积补强法对壳体上开孔率不大于0．5的小开孔进行补强计算¨’2

3、，容器壳体开孔以后，由于部件之间的变形协调必将在开孔边缘引起局

4、部的弯曲应力，这种弯曲应力会随着开孔直径的增大而急剧增大。此时，以受拉仲无限大平板开小孔为力学基础的等面积补强法将不再适用。目前，国内外不同标准提出的大开孔补强计算方法主要有：分析法、压力面积法、膜一弯曲应力法和压力一面积应力法¨”1。笔者从理论上分析了各种计算方法存在的重要差异，并采用4种不同的计算方法分别对同一个大开孔结构进行校核计算，通过对这些计算结果进行比较分析，以考察不同计算方法的安全可靠性。·占双林，男，1979年9月生，工程师。北京市，100085。1不同计算方法的分析比较1．1分析法薛明德等基于圆柱壳Morley方程，导出并应用两正交相贯圆柱壳交贯线处精确的连续条件，得到了内压

5、作用下圆柱壳大开孔接管的薄壳理论解，通过控制计算得到的局部薄膜应力强度SⅡ和最大薄膜加弯曲应力强度5Ⅳ在许用应力强度以内，校核大开孔结构的安全性H’引。文献[6，7]中的应力分类法是将一次局部薄膜应力控制在1．5倍许用应力以内，此设计准则的提出是基于简单梁的理论。由于压力容器绝大部分都是板壳结构，基于一维梁理论的设计准则，用于此结构会使结果出现偏差。即使承受内压的圆柱壳上开一个很小的孔，尽管圆柱壳的塑性极限承载能力不会因开孔而有所影响，但此时开孑L边缘处的一次局部薄膜应力已达到总体一次薄膜应力的2．5倍。此时，如果仍将一次局部薄膜应力限制在1．5倍许用应力以内，将得到十分保守的计算结果。薛明德

6、等通过分析大量实例的计算结果发现，绝大部分模型的局部薄膜应力强度大于2．2倍许用应力HJ。基于上述分析，对于内压下圆柱壳开孔补强问题，一次局部薄膜应力强度的设计准则如下：第40卷第6期化工机械749SⅡ=K。，PD￡<2．2[tr]‘(1)-Ut为了满足安定性的要求，文献[6，7]中将一次加二次应力强度限制在3S。以内，而文献[1]中的分析法则采用以下较保守的准则：SⅣ=K，PD￡<一2．6[tr]‘(2)‘Uc式中D——圆筒中面直径；K——等效总应力集中系数；K。-一等效薄膜应力集中系数；P——设计压力；6。——壳体开孔处的有效厚度；[or]L一设计温度下材料许用应力。1．2压力面积法压力面

7、积法是文献[8]中采用的开孔补强方法，它是以有效补强范围内受压面积与承载面积的力平衡为基础推导出的，即压力在壳体受压面积上形成的载荷与有效补强范围内的壳体、接管和补强材料的面积所具有的承载能力相平衡"‘l。该计算方法的通式为：(Ah+Af-)([矿]。一0．5p)+Afp([盯]P一0．5p)+Am([盯]，一0．5p)≥p(Ap．+A，b)(3)式中P——设计压力；[叮]。——接管材料许用应力；[盯]。——补强圈材料许用应力；[盯]。——壳体材料许用应力。式(3)中其余符号说明如图1所示。图1压力面积法计算时的结构示意图当壳体、接管和补强圈的材料都相同时，取[盯]。=[o-]。=[盯]。=[

8、矿]，则式(3)为：(Ab+Ah+Afp+Am)([矿]一0．5p)≥p(AP。+Apb)(4)进一步对式(4)进行变换后得：(石‰A+o．s)p≤[矿]㈥＼Ah+h+AfD+Am。。。。，上。、由式(5)可知，压力面积法的设计准则是从结构的静力强度，即一次应力强度出发的。其中，对局部薄膜应力强度是通过限制有效补强范围内材料的平均薄膜应力在一倍许用应力以内来实现的。1．3膜一弯曲应力法膜一弯曲应力