GB150—2011与ASMEⅧ-1 2013开孔补强的差异

王立

（普尔利斯（中国）环保分离设备制造有限公司)

GB150—2011与ASMEⅧ-1 2013开孔补强的差异

王立*

（普尔利斯（中国）环保分离设备制造有限公司)

容器开孔后需要考虑对开孔部位进行补强。分析和讨论了GB 150—2011与ASME BPVCⅧ-1 2013中关于开孔补强部分的主要差异。

压力容器 开孔补强 GB 150 ASME 面积 差异

0 前言

新版GB 150—2011《压力容器》于2012年3月1日正式实施了，而ASME BPVC 2013版也于2013年7月发布，2014年1月1日强制实施了。众所周知，GB 150—2011主要是参照ASMEⅧ-1规范编写的，但这两套标准又存在着较多的差异。对于目前在国内压力容器行业使用最广的这两套标准，非常有必要对其不同之处进行分析讨论，以便加深对标准的理解，更好地在实际中运用。

为了满足工艺上的要求以及容器制造、安装、检验和维修等方面的要求，对压力容器进行开孔设计是不可避免的。容器开孔后就需要考虑对开孔部位进行补强。因此，本文将对GB 150—2011和ASMEⅧ-1 2013版规范中关于开孔补强的差异进行分析讨论。

后续文章中如无特殊说明，GB 150都指的是GB 150—2011《压力容器》，ASME或ASMEⅧ-1都指的是ASME BPVCⅧ-1 2013版。

1 符号说明

A——开孔削弱所需要的补强截面积，mm2

A1——壳体有效厚度减去计算厚度之外的有效补强面积，mm2

A2——接管壁多余厚度的有效补强面积，mm2

A3——接管内伸到容器壁以内时的有效补强面积，mm2

A41——外伸接管焊缝有效补强面积，mm2

A42——外加元件焊缝有效补强面积，mm2

A43——内伸接管焊缝有效补强面积，mm2

A5——外加补强材料作为补强的截面积，mm2

a——椭圆长轴，mm

B——补强有效宽度，mm

b——椭圆短轴，mm

C——厚度附加量，mm

Di——圆筒内直径，mm

d——开孔直径，mm

d1，d2——相邻两开孔的直径，mm

E1——开孔及补强范围内的焊接接头系数

F——校正系数，用于补偿相对于容器轴线不同平面上内压应力的变化

fr——强度削弱系数，接管材料与筒体或封头材料许用应力比值，不大于1

h——接管实际高度，mm

h1——外伸接管有效补强高度，mm

h2——内伸接管有效补强高度，mm

P——设计压力，MPa

Rm——钢材标准抗拉强度下限值，MPa

θ——开孔中心连线与壳体纵轴间的夹角，（°）

δ——壳体或封头计算厚度，mm

δA-A——壳体或封头上截面A-A所需计算厚度，mm

δB-B——壳体或封头上截面B-B所需计算厚度，mm

δe——壳体或封头有效厚度，mm

δet——接管有效厚度，mm

δnt——接管名义厚度，mm

SV——ASME规范中容器许用应力值，MPa

t——ASME规范中容器壁有效厚度，mm

te——ASME规范中补强元件的厚度或高度，mm

tj——ASME规范中内伸接管壁有效厚度减去一个腐蚀余量之后的厚度，mm

tn——ASME规范中接管壁有效厚度，mm

tr——ASME规范中采用E=1时壳体或封头计算厚度，mm

W——连接焊缝传递的总载荷，N

2 等面积法适用的开孔范围差异

GB 150和ASME都采用了等面积法用于开孔补强计算，但其适用的开孔范围是有差别的。表1对照列出了GB 150与ASMEⅧ-1等面积法适用的开孔范围。

由表1可知，在圆筒、封头、锥形壳体等部件上，两个标准允许的最大开孔尺寸大体一致，但也存在一些明显的差异，尤其是在圆筒所允许的开孔上。相比较ASMEⅧ-1而言，GB 150存在明显的不合理性。按照GB 150的规定，当圆筒Di=1500 mm时，开孔最大直径的上限是d=520 mm；而当筒体内径Di=1530 mm时，开孔最大直径的上限反而只有510 mm。这一规定显然和圆筒直径越大，所允许开孔的直径越大的原则相悖。这是由于老版本的GB 150所适用的开孔范围是引自于ASMEⅧ-1早期版本的英制尺寸（ASMEⅧ-1早期无公制尺寸，2004版及以后才有公制尺寸），并经换算圆整后得到的，但此次新版的GB 150依然是沿用老版的数据，没有随着ASME的更新而进行相应的更正。

3 开孔豁免补强计算的差异

在GB 150和ASME中都允许一些开孔可以免于补强计算，但两者相关的定义以及使用条件上都存在明显的区别。GB 150规定的是不另行补强，认为在一定压力时由于容器产品的壳体厚度和接管的最小壁厚超过实际强度需要，在这种情况下，壳体和接管裕量可看作对开孔的补强，能满足补强要求而不必另行补强。ASME则指的是不需要结构自补强外的其他补强（do not require reinforcement other than that inherent in the construction），即表示在规定的直径、接管颈部厚度和壳体厚度时，由于开孔直径较小和接管与壳体的厚度较接近，使二者的变形较为协调，导致高应力区以及高应力值都较小，其应力集中系数基本上不会大于经正确补强的大孔的相应值，所以不必进行补强计算，更不需补强。

表1 等面积法最大开孔尺寸对照

GB 150与ASME对于不需经补强计算的开孔，具有明显的区别，具体如下如述。

在GB 150中规定，当壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强：

（a）设计压力p≤2.5 MPa。

（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；对于3个或以上相邻开孔，任意两孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于该两孔直径之和的2.5倍。

（c）接管外径小于或等于89 mm。

（d）接管壁厚满足表2的要求，表2中接管壁厚的腐蚀裕量为1 mm。当需要加大腐蚀裕量时，应相应增加壁厚。

表2 不另行补强的接管外径与接管壁厚关系（单位:mm）

（e）开孔不得位于A、B类焊接接头上。

（f）钢材的标准抗拉强度下限值Rm≥540 MPa时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构型式。

在ASMEⅧ-1 UG36(C)(3)中则规定了对于压力无急剧波动的容器上的开孔，在下列情况下，不需要结构自补强外的其他补强：

（a）用焊接、钎焊和翻边的连接件，满足相应的规则，其已完工的开孔不大于直径89 mm（在最小需要厚度为10 mm或更小的容器壳体或封头上），或直径60 mm（在最小需要厚度为10 mm以上的容器壳体或封头上）。

（b）螺纹、螺栓或胀接的连接件，其在壳体或封头上切出的开孔不大于直径60 mm。

（c）符合上面（a）或（b）的、不补强的两个单独的开孔，其中心距应不小于它们直径之和。

（d）符合上面（a）或（b）的、不补强的三个或更多的开孔群，它们中任意两孔的中心距L应不小于下列数值，即符合式（1）或式（2）的关系:

对圆筒形壳体或锥壳为

对两个曲面组成的壳体和成型封头或平封头为

相比较而言，GB 150不需补强计算的开孔限制条件较多，如GB 150规定不另行补强的开孔不能位于A、B类焊缝上，且在GB 150.4的第10.3.2条还规定了对于不另行补强的接管，自开孔中心、沿容器表面的最短长度等于开孔直径的范围内的焊接接头（A、B类接头）需要100%射线或超声检测。而在ASME中则规定，不需补强计算的开孔虽不能开在A类接头上，但允许开在B类或C类对接接头上，同时考虑到实际存在的高应力区和焊缝相遇或相邻可能引起的问题，还要求以开孔为中心，三倍于开孔直径范围内的B类和C类焊缝进行射线检测。

4 开孔所需补强面积的计算差异

容器壳体上由于开孔的存在导致垂直于应力方向受载截面积的削弱，在补強计算中需要计算这部分削弱的面积，即标准中规定的所需补强面积A，以便核算补强的面积是否能够满足要求。

GB 150规定的计算公式如下：

ASME中规定了计算公式如下：

式（3）中的δ指的是按照实际的焊接接头系数计算的壳体厚度，而式（4）中tr则是假定焊接接头系数为1时的壳体计算厚度。因此在同等条件下，GB 150需要补强的面积较大，计算较为保守。

式（3）和式（4）另一个明显的差异就是，ASME在计算时引入了校正系数F，GB 150则没有，这也就意指各个所考虑平面上的应力校正系数都是为1（即F=1），即各个不同平面的应力水平都相等，但实际上不同平面的应力水平是不一致的，如筒体纵向截面应力与横向截面应力。正是由于垂直于各个截面的应力是不一致的，导致各个平面的所需计算厚度也是不一致的。开孔补强所考虑的补强面积应该是综合考虑各个截面的削弱面积，取其最大值所在截面作为补强计算基准截面。一般而言，对于在径向开孔的圆形孔，如没有较大的附加轴向截荷作用(如塔设备的风弯矩、地震弯矩，或卧式容器因自重引起的轴向弯矩等)时，计算厚度是由压力引起的周向应力所确定，且又由于通过轴线的各个截面的开孔直径d是一致的，因此没有校正系数或者说默认F=1，其计算结果是没有问题的。但当存在椭圆形或长圆形开孔时，由于是非圆形开孔，不同截面上各有不同的开孔直径。

按照GB 150.3的6.3.3.1款的规定，对于椭圆形或长圆形开孔，其开孔直径d取所考虑截面上的尺寸（弦长）加2倍的厚度附加量，也就是说不应沿某一固定截面（如纵向截面）来测量其弦长，而应是对所考虑的截面来测量其弦长。

为了确定需要考虑的截面，应视开孔的布置方位对所有可疑截面都进行计算。如图1所示的椭圆形开孔，在长轴所在的截面A-A上需要补强的面积应该是此截面的计算厚度与该截面的开孔直径（长轴a加2倍的厚度附加量C）之积；而壳体纵轴所在的截面B-B上需要补强的面积应该是此截面的计算厚度与该截面的开孔直径[ab(a2sin2θ+ b2cos2θ）-1/2+2C]之积，即如下所述（为了简化计算，假设fr=1，C=0）：

图1 椭圆形开孔

截面A-A开孔所需补强

截面B-B开孔所需补强

假设此圆筒只受内压作用，按照薄膜应力理论，圆筒的计算厚度δ是由周向应力，即垂直于截面B-B的应力所决定。因此按照GB 150所需补强面积计算公式，则可认为此椭圆形开孔所考虑的截面是截面B-B。但对于其它截面由于不知其所需的计算厚度，就无法确定其需要的补强面积值，也就不能保证截面B-B就是此椭圆形开孔削弱面积最大的所在截面，如图1中椭圆长轴所在的截面AA，由于无法得知计算厚度δA-A，也就不能确定A2与A1的大小。这显然是不符合等面积法补强要求的。同样的道理，对于非径向斜开孔以及多个开孔都涉及到相同的问题。

ASME通过引入校正系数F则有效地解决了该问题。ASME规范中根据内压圆筒上已知的两向应力关系，由莫尔圆原理导出了在任意截面上的最大应力值，并由应力校正系数F来表示这些应力值与圆筒的周向应力的比值，由此就可以确定各个截面上的计算厚度。校正系数F如图2所示。

图2 校正系数F线算图

由上述讨论可知，GB 150开孔所需补强面积虽总体上参照ASMEⅧ-1，但未引入ASMEⅧ-1的应力校正系数F，当遇到圆筒上的非圆形斜开孔以及圆筒或锥壳上的多个开孔时是存在问题的。

5 有效补强截面积计算差异

5.1 关于有效补强面积A1

对于壳体有效厚度减去计算厚度之外的有效补强面积A1，GB 150的计算公式如下：

ASME的计算公式如下：

相比而言，ASME计算公式中增加了校正系数F和焊接接头系数E1。校正系数F的含义在上章已经阐述过了，这里就不再赘述。如式（8）所示，ASME在提及壳体多余厚度时加入了焊接接头系数E1，表明开孔是允许在焊缝上的，包括A类焊缝（见UW-14(a)）。而在GB 150.3的6.1.4条中提出，容器上的开孔宜避开容器焊接接头。当开孔通过或邻近容器焊接接头时，则应保证在开孔中心的2d范围内的接头不存在任何超标缺陷。在GB 150释义中指出，考虑到当前设备大型化，有些大接管无法避开A、B类焊接接头。对于无法避开焊接接头的补强开孔，针对开孔附近接头提出了接头质量的要求。这也就是说，GB 150也是允许开孔通过或邻近A、B类焊缝的，但却没有相应地引入焊接接头系数。如开孔有效补强范围内通过A、B类焊缝，则壳体或封头实际有效厚度应该是E1δe，壳体或封头多余厚度有效补强面积应该按照ASME的公式更为准确。因此在国标容器设计中，为了规避计算结果与实际不一致，如开孔通过或邻近焊接接头系数不为1的A、B类焊缝时，应在设计文件中注明开孔中心的2d范围内的焊缝应进行检测，射线检测合格级别不低于Ⅱ级或超声检测合格级别不低于Ⅰ级，即达到焊接接头系数为1时的检测要求，保证不存在任何超标缺陷。

5.2 接管有效补强高度的差异

对于接管有效补强高度，在GB 150中规定如下：

ASME则有不同的规定：

在接管内伸与外伸有效补强高度上，GB 150与ASME是完全不一样的，而且需要特别指出的是ASME中外伸有效补强高度h1没有提到实际高度h，也就是意味着在补强计算时默认接管实际高度h是不少于上述式（11）值的，但如果h小于上述式（11）值时，外伸有效补强高度应该是实际外伸高度，因此ASME的外伸有效补强高度改为如式（13）所示更为合理：

在现行ASME标准下，计算时要特别注意核算外伸实际高度与有效补强高度的大小。

6 接管最小厚度差异

开孔处的接管不仅要计及压力作用，还要计及接管和壳体连接的附加应力，如变形协调产生的附加应力。因此ASMEⅧ-1在UG-45节专门描述了接管颈部最小厚度要求。ASME规定，对于仅用于出入和检查的接管，颈部厚度应不小于在内压和外压作用下所需要的最小颈部厚度加上腐蚀余量。对于其他开孔则要求除去腐蚀余量后的厚度应不小于开孔连接处的筒体或封头在压力作用下的计算厚度与表3中接管尺寸对应的最小壁厚的较小者，且不小于在内压和外压作用下所需要的最小接管壁厚。但GB 150除了在接管外伸补强面积计算公式中提到了接管计算厚度δet外，通篇都没有明确提出对于接管的壁厚要求，也就意指接管壁厚只需有压力设计即可，而没有像ASME一样，对于筒体与接管连接的附加应力进行相应的考虑，这显然是不恰当的。

在GB 150中虽然没有明确提出对接管壁厚的核算，但压力作用下的壁厚要求是不言而喻的，因此有必要对接管尤其是不另行补强的开孔接管进行强度核算，保证接管的有效壁厚能够满足压力作用。

7 焊缝强度要求的差异

接管与筒体通常都是采用焊接连接形式，GB 150除了在第三章的附录D列出了接管与壳体连接的典型焊接结构外，全篇都未提及如不按附录中的结构尺寸是否需要对焊缝进行强度校核，如果需要，又该如何校核。而ASME不仅对连接焊缝的位置和最小尺寸提出了具体要求，还提出了焊缝强度校核的方式方法。ASME规定除以下三种情况外，对于承受压力载荷的接管与主壳体的连接焊缝都必须按承载途径对焊缝进行强度校核。

（a）图UW-16.1中部分特定的焊接结构。

（b）不需补强的开孔。

（c）按规范设计的孔桥开孔。

在进行强度校核时，坡口焊缝强度根据其承受剪切或拉伸的面积而定，角焊缝强度根据其承受剪切的面积而定。焊缝的实际连接强度不应小于总的焊缝载荷和所考虑的单个或多个补强件横断面的抗拉强度（对于典型的管颈插入容器壁的接管，强度途径如图3所示）的较小者。

表3 接管最小壁厚要求

图3 接管连接焊缝载荷和所需考虑的焊缝强度途径

同时，ASME综合了端部及侧向组合载荷、剪切强度的削减因素以及相应的焊接接头系数，规定了坡口焊缝或角焊缝的许用应力值为容器材料的许用应力值乘以下列的百分比:

坡口焊缝拉伸74%

坡口焊缝剪切60%

角焊缝剪切49%

由以上可知，ASME在规定了详细的焊接节点图的同时，严谨地提出了对连接焊缝进行校核和具体的校核方法。

8 结语

GB 150和ASME的等面积补强法主要在以下七个方面存在差异：

（1）GB 150与ASME规范适用的开孔范围有较大差异。GB 150适用的开孔范围中，对于内径Di≤1500 mm时开孔最大直径上限与Di＞1500 mm时开孔最大直径下限存在不一致。

（2）GB 150不需补强计算的开孔限制条件较多，且不另行补强的开孔不能位于A、B类焊缝上，而在ASME中则规定不需补强计算的开孔虽不能开在A类接头上，但允许开在B类或C类对接接头上。

（3）GB 150开孔所需补强面积虽总体上参照ASMEⅧ-1，但未引入ASMEⅧ-1的应力校正系数F，当遇到圆筒上的非圆形斜开孔，以及圆筒或锥壳上的多个开孔时无法计算。

（4）由于GB 150对于壳体有效厚度减去计算厚度之外的有效补强面积计算没有引入接头焊缝系数，因此对于通过或邻近开孔的A类、B类焊缝需要保证其焊缝在一定范围内没有超标缺陷存在。

（5）GB 150和ASME在接管外伸和内伸有效补强高度上计算方法完全不一致。对于接管外伸有效补强高度，ASME没有考虑接管实际高度，在计算时需要校核。

（6）GB 150只要求接管壁厚满足压力作用即可，没有如ASME一样对附加应力进行考虑。

（7）GB 150只列出了接管与筒体典型的焊接结构，而ASME还要求对连接焊缝进行强度校核，并规定了具体的校核方法。

[1]国家质量监督检验检疫总局.GB 150—2011压力容器[S].北京：中国标准出版社，2012.

[2]ASMEⅧRules for Construction of Pressure Vessels Division 1[S].2013 Edition.ASME,New York.

[3]丁伯民.GB 150—1998与ASME—1的某些差异[J].化工设备设计，1999(2).

[4]寿比南，杨国义.GB 150—2011压力容器标准释义[M].北京：新华出版社，2012.

Differences about Reinforcement for Opening between GB 150-2011 and ASMEⅧ-1 2013

Wang Li

After openings in vessels,reinforcement for opening must be considered by designer.The major differences about reinforcement for opening in vessels between GB 150-2011 and ASMEⅧ-1 2013 are analyzed and discussed.

Pressure vessel;Reinforcement for opening;GB 150;ASME;Area;Difference

TQ 050.2

2014-05-10）

*王立，男，1987年生，工程师。镇江市，212021。