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1、浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计 压力容器的开孔补强设计是压力容器设计的重要环节。目前,国内压力容器按常规规范设计开孔补强时的常用标准主要有GB150-1998《钢制压力容器》(以下简称GB150)、HG2058-1998《钢制化工容器强度计算规定》(以下简称HG20582)及ASME锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第一册《压力容器建造规则》(以下简称ASME)。GB150是强制性国家标准,是设计的最低要求,超出GB150开孔范围时,可以采用HG20582计算并遵循HG20583-1998《钢制化工容器结构设计规定》(以下简称HG20583)规定结构进行设计。压力容器开孔补强
2、设计的方法有很多,如等面积法、压力面积法、安定性分析法、极限分析法、PVRC法、增量塑性理论方法及实验屈服法等等。鉴于软硬件条件的限制和从设计成本考虑,国内一般采用等面积法和压力面积法进行开孔补强设计,上面提及的设计规范就是采用这两种方法设计开孔补强的。1.各规范开孔补强方法的理论基础GB150和ASME规范均采用等面积法进行开孔补强设计,而HG20582中的补强计算采用的是压力面积补强法。压力面积法与等面积法的实质是一致的,都是从确保容器受载截面的一次平均应力(平均强度)在一倍许用应力水平的计算方法,都未计及开孔边缘的局部应力和峰值应力对开孔的作用,只是两种方法对壳体有效补强
3、范围的确定上有所不同;在补强金属面积的配置上,压力面积法比等面积法更具有密集补强的特点,对缓和接管根部应力集中的作用较大。2 各规范开孔补强方法的适用范围比较GB150和ASME规范均适用于壳体上开圆形、椭圆形(或类似形状)或长圆形孔。GB150规定孔的短径与长径之比应不大于0.5;而ASME规定当短径与长径之比小于0.5时,应增强短径方向的补强。各规范对开孔直径的相对大小均有限制:GB150适用于d/Dt≤0.5;HG20582适用于d/Dt≤0.8;而ASME适用于d/Dt≤0.7。2.1 d/Dt≤0.5对圆筒上开孔的限制：GB150规定当Di≤1500mm时,开孔最大直
4、径d≤1/2Di,且d≤520mm：当Di>1500mm时,开孔最大直径d≤1/3Di,且d≤1000mm。ASME规定(UG236)当Di≤60in(1520mm)时,开孔最大直径d≤1/2Di,且d≤20in(508mm)；当Di>60in(1520mm)时,开孔最大直径d≤1/3Di,且d≤40in(1000mm)。封头上开孔的要求:GB150298规定凸形封头或球形壳体的最大开孔直径d≤1/2Di;锥壳(或锥形封头)的开孔最大直径d≤1/3Di;椭圆形封头或蝶形封头过渡部分开孔时,其孔的中心线宜垂直于封头表面。而ASME规范对成型封头及球形壳体上的开孔经正确补强之后,对
5、其开孔尺寸及位置不加限制。2.2 d/Di>015HG20582中的大开孔的补强计算适用于01002≤(δn-Cd)/(Di+2δn)≤0.1,可用于d/Di≤0.8。但须满足以下5个条件:a.接管与壳体应采用全焊透结构,接管与壳体连接内外壁应避免尖角过渡,而采用圆角过渡;b.接管、壳体和补强件的材料常温屈强比应满足σs/σb≤0167。应避免采用标准常温抗拉强度下限值σb>540MPa的材料,如要采用,须在设计和检验等方面做特殊考虑;c.接管、壳体和补强件之间的焊缝应进行无损探伤;d.此补强方法不宜用于介质对应力敏感的场合;e.大开孔应避免用于可产生蠕变或有脉动载荷的场合。A
6、SME规范规定对于较大直径开孔(017≥d/Di>0.5)除了应符合上述当d/Di≤0.5时的规定外,还应符合以下3点:a.补强面积较一般开孔要大些;b.对补强金属的配置要求更靠近开孔接管根部,即要求具有类似密集补强的特点;c.当壳体的内径大于1524mm,接管的内径大于1016mm,并且超过314Rt时,需要进行薄膜应力和弯曲应力的校核。3不需采取措施补强的开孔条件GB150规定,不另行补强的开孔需满足下列全部条件:a.设计压力p≤2.5MPa;b.两相邻开孔中心的间距(对曲面间距以弧长计算)应不小于两孔直径之和的两倍;c.接管公称外径d0≤89mm;d.推荐不补强接管的外径
7、和最小壁厚规格,如<57mm×5mm、<76mm×6mm、<89mm×6mm等。ASME规范对开孔不另行补强的要求是压力无急剧波动且满足下列全部条件的开孔:a.用焊接、钎焊或翻边按相应的规则连接的接头,壳体厚度t≤10mm,开孔直径d≤89mm;或壳体厚度t>10mm,开孔直径d≤60mm;b.螺纹、螺栓或胀接连接时,在壳体或封头上的开孔直径d≤60mm;c.符合上面a或b的未补强的两个单独的开孔,其中心距不小于它们直径之和;d.符合上面a或b的未补强的3个或更多个的开孔,它们任意两孔的中心
