壓力容器特殊開孔結構探究

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摘要：某些制冷裝置用壓力容器因結構設計的要求，需要設計成一種特殊的開孔結構，通過對此結構進行受力分析，發(fā)現(xiàn)可以采用等面積補強方法對本開孔結構進行補強計算，且計算結果偏于安全。基于等面積補強計算方法，給出了開孔補強計算公式，并提出此開孔結構在設計、制造方面需注意的要點。

關鍵詞:壓力容器；特殊開孔；開孔補強；計算方法；等面積補強法；制冷裝置

壓力容器用于原料儲存、熱量交換、物質傳遞及化學反應等場合。因此，需要在壓力容器的殼體上開孔，安裝用于物料輸送、參數(shù)測量和檢修的接管。在壓力容器殼體上開孔后，不但削弱了殼體的強度，而且由于開孔部位結構具有不連續(xù)性，使開孔附近應力增大，產生應力集中，加上壓力載荷、溫度載荷和來自接管的外部載荷，同時，接管與殼體連接的接頭可能存在缺陷，因此開孔部位通常成為壓力容器的破壞源。根據(jù)彈性力學計算可知，開孔部位的應力集中具有局限性，離開孔位置越遠，應力越小，應力集中的作用范圍是dδ%姨（其中，d為殼體直徑，δ為殼體壁厚）［1］。為防止壓力容器在開孔處發(fā)生強度破壞，需要在開孔邊緣進行補強設計。

1開孔補強計算方法

文獻［2］介紹了等面積補強法、極限分析補強法和安定性分析補強法。等面積補強的基本原理是補強金屬面積不小于被削弱的金屬面積，補強后的應力集中系數(shù)在1.5~3.0之間，強度安全系數(shù)可達到4~5；極限分析補強法也稱彈性失效補強法，是以極限分析為設計基礎的開孔補強計算方法，補強后的應力集中系數(shù)等于2.25，最大應力強度系數(shù)可達2.25；安定性分析補強法也稱彈塑性失效補強法，它允許補強后的容器在開孔附近出現(xiàn)塑性變形，但在后續(xù)加載過程中不能產生新的塑性變形，補強后的應力集中系數(shù)等于3，最大應力強度系數(shù)可達3。極限分析補強法和安定性分析補強法都不能用于高循環(huán)載荷壓力容器，且必須采用整體補強結構。文獻［3］介紹了等面積補強法、壓力面積補強法和開孔補強的另一方法。壓力面積補強法的原理是容器殼體的有效補強面積與該材料許用應力的乘積不小于有效補強范圍內的壓力作用面積與壓力的乘積，其適用的最大開孔率為0.8，比等面積補強法的適用范圍更寬。而開孔補強的另一方法實際與文獻［2］中的極限分析補強法相同。文獻［4］介紹了等面積補強法、彈塑性失效補強法、壓力面積補強法和彈性失效補強法。

2開孔補強計算標準

針對開孔補強計算，GB/T150.3—2011《壓力容器第3部分：設計》［5］采用等面積補強法和分析法，等面積補強法對球殼、平蓋和凸形封頭適用于開孔率不大于0.5的情況，對錐形封頭適用于開孔率不大于0.333的情況，分析法適用于圓筒上徑向接管開孔率不大于0.9的情況。JB/T4732—1995（2005年確認）《鋼制壓力容器———分析設計標準》［6］也采用等面積補強計算，同樣適用于開孔率不大于0.5的情況，另外在規(guī)范性附錄中提出了適用于球殼徑向接管開孔率不大于0.8的塑性失效極限分析法。HG/T20582—2011《鋼制化工容器強度計算規(guī)定》［7］采用等面積補強法和壓力面積補強法，對不考慮接管補強而只用殼體補強的，適用的開孔率不大于0.5；對采用補強圈補強的，適用的開孔率不大于0.5；對球殼和凸形封頭有接管或凸緣補強的，適用的開孔率不大于0.6；對采用接管補強的圓筒，適用的開孔率不大于1.0。可見，HG/T20582—2011對壓力面積補強法的適用范圍很寬。但HG/T20582—2011規(guī)定了該標準中的壓力面積補強法不適用于材料的常溫屈強比大于0.68、具有應力腐蝕、可能產生蠕變或脈動載荷的場合。

3特殊的開孔結構與開孔補強計算

3.1壓力容器上的特殊開孔

在制冷裝置用壓力容器上，有的開孔比較特殊，如儲氨器上設置的集油包，臥式蒸發(fā)器上設置的集油包、集氣包等，通常是在容器的殼體上開一個較小的圓孔，然后在圓孔的外側焊接一個比圓孔直徑大得多的圓管，具體結構如圖1所示。這種結構主要用于收集容器內的潤滑油或制冷劑氣體，使得存在一個不受容器內流體擾動的、相對獨立的儲存空間，而容器殼體上的開孔主要起到聯(lián)通和輸送流體的作用。

3.2開孔結構受力分析

集油包或集氣包與容器殼體連接部位的受力如圖2所示，集油包或集氣包覆蓋的容器殼體內外均承受介質的均布壓力P，因此，實際開孔直徑d1至集油包或集氣包內徑d2之間的這部分殼體的徑向壓力相等、方向相反，受力平衡，環(huán)向應力隨著d1的增加而增大，增加的應力集中在開孔邊緣，在離開孔邊緣一定距離后，應力不再增大。如果d1至d2的距離大于應力衰減范圍，則不用考慮因開孔引起的局部薄膜應力，工程上認為因開孔增加的局部薄膜應力衰減距離小于2d1。在集油包或集氣包與殼體連接處，由于集油包或集氣包的徑向膨脹變形受到限制，在連接處產生二次局部彎曲應力。容器殼體在介質壓力P作用下，集油包或集氣包處的約束影響該部位殼體的變形協(xié)調，會增加連接處的彎曲應力，同樣，也會因影響集油包或集氣包在P作用下的變形協(xié)調而增加連接處的應力。另外，在連接處還產生應力集中這與普通的開孔接管處的受力情況相同。

3.3開孔補強計算

根據(jù)受力分析，圖1這類特殊結構的開孔仍然可以采用GB/T150.3—2011中的等面積補強方法進行開孔補強計算，此時應考慮的開孔不是d1，而是d2。如圖3所示，殼體的補強面積還應計入d1至d2之間的殼體金屬有效截面積。由于此結構中因開孔d1增加的局部薄膜應力已在d2范圍內衰減，而d1至d2之間的殼體由于內外壓力平衡，由介質的壓力P產生的總體薄膜應力可不計。因此按照本計算方法得到的結果應該是偏安全的。計算開孔直徑為：dop=d2+2Ct（1）殼體開孔所需補強面積為：A=（dop+2δt）δ（2）殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積為：A1=（B-dop）（δe-δ）+（dop-d1-2C2）（δe-δ-C2）（3）接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積為：A2=2h1（δet-δt）fr（4）焊縫金屬面積為：A3=K2（5）若A1＋A2＋A3≥A，則開孔不需另加補強面積；否則，開孔需要另加補強面積。式中，除d1和d2外，其余符號及其計算方法與GB/T150.3—2011［5］相同。

4結束語

對于因結構設計的要求，需要在壓力容器殼體上開圓孔，再焊接比圓孔尺寸大得多的圓管的情況，可以采用上述方法進行開孔補強計算，但是，對于這類特殊結構的開孔，在設計、制造時還需要注意：所焊圓管應與實際開孔d1保持同心；所焊圓管的內徑d2應不小于2d1；接管與殼體之間的焊接接頭應全焊透；殼體上實際開孔的孔邊應切割整齊，孔口應光滑。上述計算方法已經在多個規(guī)格的數(shù)十臺制冷裝置用壓力容器設計時采用，有的容器使用年限已達近十年，使用情況普遍良好。

作者:熊從貴 陳送送 宋玲麗 何靜 單位:臺州龍江化工機械科技有限公司