[压力容器开孔补强国内外主要研究现状] 压力容器开孔补强形式

~ 　　【关键词】压力容器；开孔补强；现状　　压力容器由于其设备工况的特殊性，安全性是其设计和使用中至关重要的问题。随着石油、化工、医药、核工业以及海洋、空间工程技术的发展，压力容器结构也变得越来越复杂。由于工艺和结构上的要求，不可避免地要在容器主要受压件上开孔，由此必然会在开孔边缘形成复杂的应力状态，这往往是压力容器强度破坏的根源。本文将对压力容器开孔补强的国内外研究理论进行简述。
　　压力容器开孔补强设计的方法有很多，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，适用的开孔率一般< 0.8。但对于大开孔接管补强，由于未考虑开孔引起的弯曲应力，故采用这两种设计方法则是欠安全的。尤其对于大直径薄壁容器的大开孔，目前，国、内外也无现成完全适用的设计规范，因而设备的设计在很大程度上依赖于工程经验[1]。
　　开孔接管问题的解决，理想上可以两种途径进行；其一是运用弹性分析(薄壳理论解或有限元解)计算各种载荷下的弹性名义应力，予以叠加，将不同的应力进行分类，并合理地选择设计准则；由于壳体开孔问题的特殊性，其设计准则不能仅仅沿用常规的压力容器设计准则。其二是寻求容器开孔接管的塑性极限承载能力；但当各类外载联合作用时(各种外载之间的比例是可变的)，仍必须考虑设计准则的问题；而此时结构安定性的保证或不发生疲劳破坏仍需依靠对弹性名义应力集中系数的控制。
　　由于圆柱壳开孔接管问题在压力容器设计中的普遍性与重要性，以及为解决此问题在力学上所遇到的困难，使它从20世纪50年代起便成了压力容器界及力学界所共同关注的重要课题之一，欧美各国曾为此投入了许多人力、物力从事分析与实验工作。进入80年代以后，超级计算机的出现使得用有限元法解决此问题原则上不再存在困难；而另一方面用薄壳理论求解大开孔问题的困难却迟迟不能得到突破性的解决，但建立某种以应力分析为基础的开孔补强设计规范仍是各国学者与工程界共同关心的问题，并仍有不少人在继续从事这方面的计算与实验工作。
　　1.薄壳理论解
　　二十世纪八十年代以前，大量研究集中在寻找开孔接管问题的薄壳理论解。研究人员先后从扁壳方程出发，将两壳的交贯线近似为主壳展开面上的圆，他们得到的解的适用范围仅限于(—接管外半径/筒体内半径)[2～3]。八十年代中期，美国斯坦福大学Steele教授在美国压力容器委员会(PVRC)的资助下，从开孔边界的n-s坐标系中的Donnell扁壳方程出发，给出了相贯线的精确数学表达式，但由于此坐标系下的扁壳方程过于复杂无法求解，因而只寻找了一种半经验的近似值，把解的适用范围扩大到，从己发表的数据来看，当 较大时，Steele的解与有限元解有较大的差别。后人在Steele的研究基础上，将计算结果结合实验验证，整理为经验公式用于设计。
　　与此同时，BS5500(英国标准)也将Bijlaard对圆柱壳上作用径向外载荷的理论解[4]加以推广并作成相应公式和图表，采用Leckie和Penny方法，正式以规范的形式规定了壳体上局部应力的计算方法。对于圆柱壳上的局部应力计算，BS5500是根据Bijlaard的理论解，将所受载荷当量化为在一定范围内大小相等、方向相反的径向载荷，然后按受径向载荷时的同样原理进行求解，并未计入轴向、周向横推力和扭矩对圆筒所引起的剪切应力，也没有考虑圆柱壳上的开孔及介质压力的影响，因此BS5500不适用于圆柱壳上开孔接管的计算。
　　薛明德等人在总结前人工作得失的基础上，得到了适用于球壳开孔接管[9～11]和内压作用下大开孔情况的两正相交相贯圆柱壳的薄壳理论解[5]，根据两正相交相贯圆柱壳的薄壳理论解得到的一套实用的工程设计方法及相应的设计曲线已被我国钢制压力容器分析设计规范GB4732-95所采用。
　　2.有限元解
　　目前以应力分析为基础的设计方法(简称应力分析方法)受到了世界各国的普遍重视和广泛采用，如美国ASME规范，我国JB4732-95《钢制压力容器分析设计标准》，其特点是以弹性应力分析为基础，引入极限分析、安定性分析等一些塑性力学的基本概念，对求得的弹性应力进行分类，从而对一次应力、二次应力和峰值应力分别予以限制。对于压力容器开孔结构，要求得到它的全场弹性应力，仅靠壳体理论进行解析分析是困难的，要借助有限元法对计算结果进行分类处理。
　　国内也有多名学者采用有限元计算或结合试验手段，在大开孔接管应力分析问题方面，做了大量的工作。经国栋、王允昌91年采用八节点板壳单元针对三台容器最大开孔率为0.83,最小为0.56，进行了拐角处的应力计算，绘制了应力分布曲线；陶文亮[16]96年采用三维有限元对加热炉接管采用SAP5程序进行了有限元分析计算和强度评定；桑芝富97年采用三维有限元对小开孔接管在外载荷作用下有、无补强圈两种情况下的应力进行了对比；杨新歧97年采用20节点等参单元对～0.5,～0.5内压作用下的接管区应力集中进行了弹塑性分析后绘制了相应的曲线。蔡洪能等人98年采用SuperSAP91对厚壁压力容器接管进行了有限元应力分析，并充分考虑了焊缝型式对强度的影响。金志江对接管区的大应变进行了有限元分析的有益尝试，2000年以来，张卫义等对内压作用下柱壳开孔补强用三维有限元和实验分析方法做了较为系统的研究，计算了开孔区的应力集中系数，绘制了应力集中系数曲线；崔建华对接管区进行了模拟试板有限元的应力分析。之后，有更多的学者投入到这项工作中。
　　参考文献
　　[1]郑津洋,董其伍,桑芝富.过程设备设计[M].第1版.北京:化学工业出版社,1998．
　　[2]Eringen, A.C. Stress distribution at two normally intersecting Cylindrical shells[J].Nuclear Structural Eng..1965 (2): 235-270．
　　[3]P.P.Bijlaard, Stresses from Local Loadings in Cylindrical Pressure Vessel,Trans[M]. ASME, 1956, Vo1. 77: 805-806．
　　[4] M.GKirkwood, GD.Carmichael, D.GMoffatm.Finite Element Stress Analysis of an Egual Diameter Branch Pipe Intersection Subjected to Out-of Plane and Twisting Moments,Journal of Strain Analysis[J].1986,21(1):9-16.
　　[5]钱令希.圆柱壳开孔问题的单圆孔基本解[J].大连工学院学刊,1965,3(4): 1-23．

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东胜区18529488474： 压力容器开孔补强有几种,采用补强圈结构补强应遵循什么规定? - ？
景素康得： 压力容器的开孔补强,从设计方法区分大致下述几种: 1. 等面积补强法. 2. 极限补强法. 3. 安定性分析. 4. 其它方法,如试验应力分析法、采用增量塑性理论方法研究容器开孔及补强等等. 从补强结构区分,其基本结构大致分为两大类: 1. 补强圈搭焊结构. 2. 整体补强结构. 当采用补强圈结构补强时,应遵循下列规定: 1. 所采用钢材的标准常温抗拉强度:σb≤540Mpa. 2. 壳体名义厚度δn≤38mm. 3. 补强圈厚度应小于或等于1.5δn.

东胜区18529488474： 应力集中有何特点 - ？
景素康得： 应力集中主要在截面尺寸变化急剧处表现得特别突出,例如一根轴两端的直径不同,在直径变化(台阶)处如果加工成直角,应力集中现象就特别明显,如果以圆角过渡,应力集中现象就能减缓许多.

东胜区18529488474： 压力容器开孔补强 - ？
景素康得： 你看GB150.3-2011 压力容器 第3部分:设计6 开孔与开孔补强 采用何种方式补强是否跟承装的物料的毒性程度、容器类别、设计方式都有关.还要考虑壳体材质和厚度:1、有些高强钢和铬钼钢材质不允许用补强圈,2、壳体厚度超过38mm时;3、高温(大于350)低温(小于等于-20)4、疲劳压力容器;5、设计压力大于等于4MPa的第三类压力容器;等等

东胜区18529488474： 为什么要对压力容器的开孔进行补强,常用补强措施是什么 - ？
景素康得： 开孔补强是由强度计算来确定的,一般有:加补强圈、增加壳体壁厚和增加接管壁厚三种方法.

东胜区18529488474： 压力容器的补强方法有那两种,其中常见的补强结构有那些 - ？
景素康得： 压力容器补强设计准则有: 等面积补强法;压力面积补强法;极限载荷补强法 常见补强结构: 补强圈补强;厚壁接管补强;整体锻件补强.参考资料:GB/T 150-2011

东胜区18529488474： 容器壁上开孔后均要进行补强对吗 - ？
景素康得： 在压力容器上开孔,将会使压力容器的承压能力降低,在其设计工艺条件下会产生危险,因此压力容器开孔后需进行补强.但在下属情况下可不另行补强: 1)对于正压当设备的有效壁厚大于设备计算壁厚的两倍时.这时候可以看做已经给设备加了一个补强圈,而且是一个满足所需补强面积,比一般补强圈补强效果好的“补强圈”. 2)对于负压当设备的有效壁厚大于设备计算壁厚的1.5倍时.因为负压所需的补强面积是正压的一半.理由同上. 3)满足“GB150.3-2011第6.1.3条不另行补强的最大开孔直径”的要求.

东胜区18529488474： 焊条电弧焊在压力容器焊接中的作用 - ？
景素康得： 1、焊条电弧焊在压力容器焊接中的作用是利用焊条与工件间产生的 电弧热,将容器外壳板材接口或零部件按设计要求熔接为一体. 2、在锅炉和压力容器等设备制造中,焊条电弧焊多用于设备内附件的焊接和支座、接管与开孔补强等部位的焊...

东胜区18529488474： 什么是外压容器的临界压力 - ？
景素康得： 补强圈是在压力容器开孔部位补强由于开孔造成的应力集中问题.简单理解就是开孔部位材料减少了,开孔附近部位材料受力就大了.一般补强圈面积等于开孔面积. 增加加强圈和加大容器壁厚是增加容器刚度和提高外压容器的临界压力的两种方法尤其在外压容器筒体上适当的增设加强圈更为经济.设计加强圈时,最基本的要求就是加强圈的实际惯性矩大于最小惯性矩.可采用角钢、工字钢、矩形钢等加工制作,可以焊接在容器的外面,也可以焊接在容器的里面.

东胜区18529488474： 压力容器开孔补强接管2倍直径范围内的焊缝为什么要100%无损检测？
景素康得： 这条主要引自 ASME Ⅷ-1压力容器建造规则UW-14节对开孔补强相关的规定,主要是因为开孔后,开孔部位产生应力集中,但该高应力区的区域有限.由于担心高应力区和焊缝相遇或相邻而可能引起问题,所以要求对2dop范围内的焊接接头进行100%无损检测,不得存在任何超标缺陷.

东胜区18529488474： 压力容器设计中的另行补强是什么意思呢,直接叫补强为什么不行呢 - ？
景素康得： 额外再补强的意思,说另行不行是出于严谨需要.