压力容器等面积开孔补强技术在两种规范中的比较

吕学鲁

(中车西安车辆有限公司，陕西 西安 710086)

1 等面积补强法的介绍

开孔补强的方法有等面积法和分析法，目前通用的、也是最早的开孔补强设计准则是基于弹性失效设计准则的等面积补强法，等面积补强法认为壳体因开孔丧失承载面积，须有补强材料在离孔边一定距离范围内予以等面积补偿，该方法是以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则。

2 ASME Ⅷ-1-2017与GB 150-2011中等面积法部分条款比较

2.1 开孔尺寸上的比较

ASME 中提到当椭圆形开孔或长圆形孔的长径超过2.0倍时，应当增强短径方向的补强，以避免由于扭转力矩产生的过度变形。而GB 150—2011中直接限制孔的长径与短径之比不应大于2.0。显然GB 150—2011比较严格，这么规定也是为了更安全考虑。

在圆筒、封头、锥形壳体等部件上开孔尺寸的规定中，这两个标准的规定也有点区别。

对于圆筒允许的最大开孔，按照GB 150—2011的规定，当Di=1500mm 时，允许的最大开孔直径为520mm；当Di=1530mm时，允许的最大开孔直径为510mm。可以看出筒体的直径越大反而允许开孔的最大直径却越小，这和筒体直径越大所允许的开孔也越大的常理相悖。按照ASME Ⅷ-1中的规定，上述两个条件下的最大允许开孔都为510mm。显然GB 150—2011的规定没有ASME Ⅷ-1那么严谨。这是因为GB 150—2011主要参照ASME Ⅷ-1规范编写的，2017版ASME Ⅷ-1规范刚发布不久，GB 150—2011还没来得及更改。

2.2 免于补强规定上的比较

豁免补强的规定中，GB 150—2011认为在满足一定压力(P≤2.5MPa)条件下(其余条件见GB 150—2011，6.1.3条)，可不另行补强。也就是说壳体和接管本身的厚度超过了实际强度所需要的壁厚，壳体和接管上的这部分富裕金属可以作为补强金属，且满足了开孔补强的要求，所以不需要再进行补强。而ASME Ⅷ-1规定的是不需要结构自补强外的其他补强，它在免于补强的最大开孔和壳体及封头的最小需要壁厚做了限制，这是因为容器厚度的增加使得沿容器壁厚方向的应力梯度增大，开孔处局部出现的应力集中系数更加增大，导致此处的应力集中系数大于规范所采用的材料安全系数，且厚度越大，材料所呈现的脆性越大。所以ASME Ⅷ-1在不需要另行补强的最大开孔进行了限制。

GB 150—2011在不需要另行补强中规定开孔位置不得位于A、B 类焊接接头上；而ASME Ⅷ-1中规定不需要结构自补强外的其他补强的开孔可以位于B 类焊接接头上，但开孔部位的焊缝应满足UG-51中规定的射线检测要求，检测长度应为开孔直径的三倍，开孔中心位于此长度中点，凡是被开孔去除的缺陷不作为评判焊缝合格与否的条件。

2.3 开孔所需补强面积计算公式的比较

容器壳体上的开孔导致垂直于应力方向受力截面的削弱，在补强计算中需要计算这部分削弱的面积，及标准中给出的所需补强面积A，以便核算补强的面积能不能满足补强要求。

比较以上(1)和(2)两个公式，从中可以发现一个明显的差异，那就是ASME Ⅷ-1在计算补强面积时引入了校正系数F，这一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。根据等面积法开孔补强理论，系数F 与通过开孔中的截面与壳体轴线的夹角θ的关系：F=0.5(cos2θ+1)。而GB 150—2011中没有引入校正系数，或者说GB 150—2011中认为任一开孔受力截面的校正系数都等于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，如只受内压的圆筒环向应力引起的纵向截面应力与纵向应力引起的环向截面的应力，纵向截面应力约为环向截面应力的两倍。各个截面所受的应力水平不一致导致各个截面所需的计算厚度也不一致，开孔补强所需的面积也不一致，开孔补强最终所考虑的面积是综合各个不同截面上最大削弱面积。

而ASME Ⅷ-1中通过引入的校正系数F 解决了这个问题。校正系数给出了其他截面应力与环向应力的关系，从而可以算出各个截面上的计算厚度。

由上可知，当开孔为圆筒上的非圆斜开孔时，GB 150—2011在计算开孔补强所需面积时没有ASME Ⅷ-1那么细致。

公式(1)和(2)的另外一个区别就是，在计算壳体和封头厚度时，ASME Ⅷ-1中规定采用的焊接接头系数规定为1；而GB 150—2011中采用的焊接接头系数为壳体或封头的实际焊接接头系数，实际焊接接头系数有可能是1，有可能比1小。因焊接接头系数反映的是容器壳体的接头处相对于母材的强度削弱成度，焊接接头系数越小，削弱成度越大，所需补强面积就越大，固在其他条件一致的情况下，GB 150—2011需要的补强面积比较大，较为保守。

2.4 接管最小厚度计算比较

在开孔补强计算中，GB 150—2011在有效补强范围和接管的内外伸高度中提到了接管的名义厚度，但没有给出如何确定接管的壁厚，在实际操作过程中，按照其承受的内压载荷利用内压筒体壁厚计算公式确定计算厚度，然后根据接管壁厚偏差和腐蚀裕量确定其名义厚度。

从上述规定可以看出，GB 150—2011和ASME Ⅷ-1在接管内外伸高度取值上的区别比较大。GB 150—2011规定不管是内伸还是外伸接管高度都不能大于接管实际内外伸高度，这比较符合实际补强要求，而ASME Ⅷ-1在外伸接管高度确定时没有考虑接管的实际外伸高度，那假如实际外伸高度比上述规定的外伸高度取值都低，补强计算却取了一个较高值，造成所需补强面积偏大。另外GB 150—2011在计算高度时，没有把接管的腐蚀裕量去掉，导致接管实际伸出长度偏高，有效补强面积虚高。而ASME Ⅷ-1在所有的计算取值过程中没有包含腐蚀裕量和成形裕量，显然ASME Ⅷ-1认为腐蚀裕量和成形裕量所包含的这部分金属是不能作为有效的补强面积的，这样的考虑比GB 150—2011更严密。此外，两个标准都没有提到对于壳体上的斜插接管或凸型封头轴向开孔接管应该怎么取接管的实际内外伸高度值，本人认为对于这两种接管应该取接管内外口离壳体或封头内外表面距离最短值分别作为接管实际内外伸高度，该值应该沿着接管壁测量。

3 结语

通过以上分析比较可以看出，ASME Ⅷ-1—2017《锅炉压力容器建造规范》和GB 150—2011《压力容器》在等面积补强的部分条款上是有区别的。虽然这两个标准在实际应用中都不会出现问题，但二者各成一体，不能简单地将GB150中的方法应用到ASME 规范的容器上。在用等面积补强法进行开孔补强的设计过程中一定要明确是符合哪个设计规范，以保证设计安全及对使用标准的符合性。