圆筒体上非径向接管的开孔补强计算

薛爱芳 雷威跃 王笑真

(1.三门峡化工机械有限公司；2.洛阳绿景环保科技有限公司)

化工设备设计时，为满足介质的进出或安装检修的要求，需要在壳体上开孔，这将造成器壁强度削弱，产生应力集中，几乎在每台设备的计算中都会出现开孔补强计算。圆筒体上接管的方向有3种：径向、斜向、切向，斜向和切向接管会在筒体上产生非圆形开孔。在各种补强法中最常见、使用频率最高的是等面积法。等面积补强法以补偿开孔局部的拉伸强度为补强准则[1]，其理论依据是无限大平板上开小圆孔的孔边应力分析作为依据，未涉及开孔边缘的应力集中问题，仅就开孔截面的边缘应力进行考虑，开孔区局部高应力的安定问题是通过限制开孔形状、长短径之比和开孔率间接加以考虑的，使孔边的局部应力得到一定的控制[2]，所以，当在壳体上开椭圆形或长圆形孔时，孔的长径与短径之比应不大于2[3]。

1 工程实例

某设备公称直径1 800mm，壳体厚度10mm，筒体上设置距设备中心670mm的切向接管，规格φ480mm×10mm，材料为Q345R，加φ1 200mm×14mm的补强圈。该设备在2008年曾经设计并经强度计算合格， 2009年实施《固定式压力容器安全技术监察规程容规》[4]，2011年发布GB 150.1～GB 150.4-2011[3]，在2012年重新复用设计时发现开孔补强计算结果与原结果不同。设备设计参数如下：

设计压力 1.6MPa

设计温度 100℃

主要受压元件材料 Q345R

腐蚀裕量 0mm

接头系数 1

2 计算过程

同一设备设计了两次，分别按GB 150的新、旧版本为计算依据。2008年计算时使用的文献[5]中规定“壳体上的开孔应为圆形、椭圆形或长圆形。当在壳体上开椭圆形(或类似形状)或长圆形孔时，孔的长径与短径之比应不大于2.0”，但没有对如何选取开孔补强的计算截面作出规定，工程设计人员只有依照文献[5]中图 8-1，理解为等面积补强法不能用于壳体的非径向接管的补强计算，此时非径向接管开孔补强计算应按照文献[6]中“非径向接管的开孔补强计算”，选取了0、90°两个截面进行补强计算；2012年计算时，文献[5]中6.3.3.1条明确了非径向接管开孔补强时计算截面的选取方法“……，对于圆筒或锥壳开孔，该截面通过开孔中心点与筒体轴线；……。”，所以在计算非径向开孔时选用文献[3]中的等面积补强法计算，上述两种计算过程分别如下。

按文献[6]中的非径向接管的开孔补强进行计算：

当与圆筒轴线截面相交(90°)时，应力校正系数F=0.5，则：

A=dδF+2δ(δnt-C1)F(1-fr)=3 872.5mm2

A1=(B-d)(δeφ1-Fδ)-2(δnt-Ct)(δeφ1-Fδ)×

(1-fr)=5227.5mm2(取B=1820mm)

A3=5×5=25mm2

A1+A2+A3>A，所以，对于和圆筒轴线相交90°截面，不需要另行补强。

当与圆筒轴线截面平行(0°)时，应力校正系数F=1.0，则：

A=dδF+2δ(δnt-C1)F(1-fr)=3915.1mm2

A1=(B-d)(δeφ1-Fδ)-2(δnt-Ct)(δeφ1-Fδ)×

(1-fr)=685.0mm2(取B=920mm)

A2=2h1(δnt-Ct-δt)fr+2h2(δnt-Ct-C2t)fr=1061.4mm2

A3=5×5=25mm2

A1+A2+A3A，补强计算合格。

按文献[3]中的等面积补强法进行计算：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=3520mm2

A1=(B-dop)(δe-δ)-2δet(δe-δ)(1-fr)

=1080.0mm2

A2=2h1(δet-δt)fr+2h2(δet-C2t)fr=1091mm2

A3=6×6=36mm2

A1+A2+A3A，补强计算合格。

3 计算结果分析

两次计算所选取截面数量不同，但都包括垂直设备轴线的计算截面，使用的补强方法都是等面积法，计算结果却有所不同，原因是在2008年的计算中，[δ]t取170MPa，而文献[4]于2009年实施后，在2012年的计算中[δ]t取198MPa。若在2012年的计算中仍取[δ]t=170MPa，则其计算结果与2008年的计算中平行于圆筒轴线截面时的结果完全相同。

图1 设备开孔示意图

4 结束语

通过比较两种计算方法发现，工程设计中在进行非径向接管的开孔补强计算时，需将非径向接管和壳体相交而构成的开孔作为长圆孔考虑并限制其长径比不大于2，补强数据按径向接管时的数据输入，补强圈需要放样、下料，并保证其单边有效宽度不得小于接管径向时补强圈的单边宽度，补强圈外径按正圆计算时，需保证开孔长径方向处的单边宽度来下料。

[1] [日]野原石松著，黄震尧，王允昌，郑录，等译.压力容器[M].兰州：兰州石油机械研究所，1979.

[2] 李世玉.压力容器设计工程师培训教程[M].北京：新华出版社，2005.

[3] GB 150.1～GB 150.4-2011，压力容器[S].北京：中国标准出版社，2011.

[4] TSG R0004-2009，固定式压力容器安全技术监察规程[S].北京：新华出版社，2009.

[5] GB 150-1998，钢制压力容器[S].北京：中国标准出版社，1998.

[6] HG 20582-1998，钢制化工容器强度计算规定[S].北京：中国计划出版社，1998.

[7] JB/T 4736-2002，补强圈[S].昆明：云南科技出版社，2002.