使用SW6-2011計(jì)算壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)的幾個(gè)問題

司文華

（北京福瑞匯達(dá)科貿(mào)有限公司，中國 北京100073）

0 引言

為滿足工藝或結(jié)構(gòu)需要，在壓力容器設(shè)計(jì)中開孔是必不可少的。容器開孔接管后會(huì)引起開孔或接管部位的應(yīng)力集中，再加上接管上會(huì)有各種外載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力及熱應(yīng)力，以及容器材料和制造缺陷等各種因素的綜合作用，使得開孔和接管附近就成為壓力容器的薄弱部位。雖然標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)設(shè)計(jì)和計(jì)算都作了較為詳細(xì)的規(guī)定，但在使用SW6-2011 過程設(shè)備強(qiáng)度計(jì)算軟件計(jì)算開孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí)需要注意對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中有關(guān)定義的理解和把握，靈活運(yùn)用軟件，必要時(shí)對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，才能得到正確的結(jié)論，保證設(shè)備的安全可靠性。

1 補(bǔ)強(qiáng)方法及適用范圍

1.1 計(jì)算時(shí)應(yīng)注意的問題

在使用SW6-2011 計(jì)算開孔補(bǔ)強(qiáng)之前要先判斷接管的直徑和壁厚是否滿足GB150.3-2011 中6.1.3 不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑[1]的要求，滿足要求的可以不進(jìn)行計(jì)算，沒有進(jìn)行判斷直接輸入數(shù)據(jù)的，生成計(jì)算書會(huì)顯示滿足不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑的要求，不予進(jìn)行計(jì)算。還需要注意的是單個(gè)孔開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算合格，然而該孔的有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)B=2d 范圍內(nèi)還有其他開孔，形成孔橋的，則應(yīng)按孔橋處理。在計(jì)算兩相鄰開孔中心的間距或者任意兩孔中心的間距時(shí)對(duì)曲面間距應(yīng)按弧長計(jì)算，按照弦長或中心線垂直距離計(jì)算是不正確的。

1.2 補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法及適用范圍的理解

SW6-2011 補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法給出四種：等面積補(bǔ)強(qiáng)法、另一補(bǔ)強(qiáng)方法、分析方法和壓力面積法。

計(jì)算軟件中的等面積補(bǔ)強(qiáng)法是指單個(gè)開孔的等面積法，聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)法是指多個(gè)開孔的等面積法。等面積法是開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法中最廣泛應(yīng)用的計(jì)算方法，該法是以補(bǔ)償開孔局部截面的一次拉伸強(qiáng)度作為補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則的，是以無限大平板上開有小圓孔時(shí)孔邊的應(yīng)力集中作為理論基礎(chǔ)的，即僅考慮容器殼體中存在的拉伸薄膜應(yīng)力，對(duì)開孔邊緣的二次應(yīng)力的安定性問題是通過限制開孔形狀，長短徑之比和開孔范圍（開孔率）間接考慮的[2]，使用該法應(yīng)考慮開孔是否滿足GB150.3-2011中6.1.1 的規(guī)定。對(duì)于承受靜載的壓力容器開孔，長期實(shí)踐證明該法在允許使用范圍內(nèi)，其補(bǔ)強(qiáng)結(jié)果是比較安全可靠的。分析法是根據(jù)彈性薄殼理論得到的應(yīng)力分析法用于內(nèi)壓作用下具有徑向接管圓筒的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，其開孔率可達(dá)0.9。壓力面積法為HG20582-2011 大開孔的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算[3]中介紹的補(bǔ)強(qiáng)方法，其開孔率可達(dá)0.8。分析法和壓力面積法都是適用于大開孔徑向接管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的，不能計(jì)算斜接管。大開孔即超出等面積補(bǔ)強(qiáng)法適用范圍的開孔。而且分析法只能用在筒體上的開孔，封頭上的大開孔應(yīng)用壓力面積法計(jì)算，但在我國壓力面積法尚不能作為合法的設(shè)計(jì)依據(jù)，該方法只能參考使用。壓力面積法和等面積法一樣，都不適用于有疲勞強(qiáng)度要求的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。另一補(bǔ)強(qiáng)方法則為基于塑性失效準(zhǔn)則的極限分析法，對(duì)受內(nèi)壓?jiǎn)蝹€(gè)開孔的密集補(bǔ)強(qiáng)采用[4]，這種設(shè)計(jì)方法限制條件：接管橫截面必須為圓形，其中性軸垂直于殼體、接管和補(bǔ)強(qiáng)件應(yīng)采用整體結(jié)構(gòu)，過渡部分應(yīng)打磨成圓角[5]。

使用SW6-2011 軟件進(jìn)行單個(gè)開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算輸入數(shù)據(jù)后，軟件根據(jù)輸入條件自動(dòng)選擇適合的計(jì)算方法，如不符合單孔補(bǔ)強(qiáng)條件形成孔橋的，則必須選擇聯(lián)合補(bǔ)強(qiáng)法，并輸入相關(guān)數(shù)據(jù)才能得到正確的計(jì)算結(jié)果。

2 封頭最小厚度對(duì)開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的影響

2.1 封頭最小厚度的確定

沖壓封頭的最小厚度必須滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求，是壓力容器安全使用的前提條件。GB/T25198-2010《壓力容器封頭》中6.3.13 規(guī)定：根據(jù)制造工藝確定封頭的投料厚度，以確保封頭的成品最小厚度不小于設(shè)計(jì)要求的最小成型厚度[6]。設(shè)計(jì)要求的最小成型厚度一般要大于等于設(shè)計(jì)壓力下的設(shè)計(jì)厚度即計(jì)算厚度加上腐蝕余量。還應(yīng)考慮由于下料厚度大于名義厚度后有可能造成許用應(yīng)力下降，如遇此種情況應(yīng)把設(shè)計(jì)規(guī)定的成型后封頭最小厚度乘以最小厚度的許用應(yīng)力與落料厚度許用應(yīng)力的比值。還有些設(shè)備需要標(biāo)注最高允許工作壓力的，比如需安裝安全泄放裝置且需進(jìn)行氣密性試驗(yàn)的容器，為使安全泄放裝置的整定壓力高于氣密性試驗(yàn)壓力，應(yīng)確定設(shè)備的最高允許工作壓力。由于固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程4.8 規(guī)定：對(duì)于介質(zhì)毒性程度為極度、高度危害或者設(shè)計(jì)上不允許有微量泄露的壓力容器，應(yīng)該進(jìn)行泄漏實(shí)驗(yàn)，泄露試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)介質(zhì)種類的不同，分為氣密性實(shí)驗(yàn)以及氨檢漏試驗(yàn)、鹵素檢漏試驗(yàn)和氦檢漏試驗(yàn)等。其中氣密性試驗(yàn)壓力為壓力容器的設(shè)計(jì)壓力。進(jìn)行氣密性試驗(yàn)時(shí)，一般應(yīng)當(dāng)將安全附件裝配齊全。又根據(jù)固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程3.9.2 規(guī)定：超壓泄放裝置的動(dòng)作壓力（1）裝有超壓泄放裝置的壓力容器，超壓泄放裝置的動(dòng)作壓力不得高于壓力容器的設(shè)計(jì)壓力（2）對(duì)于設(shè)計(jì)圖樣中注明最高允許工作壓力的壓力容器，允許超壓泄放裝置的動(dòng)作壓力不高于該容器的最高允許工作壓力[7]。為使超壓泄放裝置在做氣密性試驗(yàn)的時(shí)候不起跳，又能滿足規(guī)定，需要在圖紙上注明最高允許工作壓力，最高允許工作壓力應(yīng)綜合考慮包括筒體、封頭、法蘭和接管等在內(nèi)的所有受壓部件所允許承受的最大表壓力。這時(shí)取氣密性試驗(yàn)壓力等于設(shè)計(jì)壓力，超壓泄放裝置的動(dòng)作壓力高于該容器的設(shè)計(jì)壓力，低于最高允許工作壓力。此時(shí)封頭的最小成型厚度要大于等于最高許用工作壓力下的設(shè)計(jì)厚度。

2.2 開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)封頭有效厚度的確定

按照GB150.3-2011 等面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)，需計(jì)算殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積A1如圖1 所示，其值按式（1）計(jì)算。

圖1 補(bǔ)強(qiáng)面積A1

式中：B 為補(bǔ)強(qiáng)有效寬度；dop為開孔直徑；δe為殼體開孔處的有效厚度；δ 為殼體開孔處的計(jì)算厚度；δet為接管有效厚度；fr為強(qiáng)度削弱系數(shù)。

因1- fr的值很小，一般情況下A1的值隨δe的值增大而增大。有效厚度一般按式（2）計(jì)算：

式中：δn為名義厚度；c1為鋼板負(fù)偏差；c2為腐蝕余量。

由于封頭給出最小厚度δmin時(shí)，封頭的實(shí)際厚度可能小于名義厚度，此時(shí)進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)，封頭開孔處的有效厚度應(yīng)取δe＝δmin－c2。

采用SW6-2011 軟件進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)，封頭的有效厚度不是直接輸入的，而是程序根據(jù)輸入數(shù)據(jù)計(jì)算生成的，為得到合理的計(jì)算結(jié)果，通常用兩種方法對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。

（1）對(duì)腐蝕裕量的值進(jìn)行調(diào)整為c2，＝(δn－c1－δmin)+c2；

（2）把封頭的最小厚度填到殼體名義厚度的地方，并且指定壁厚負(fù)偏差為零進(jìn)行計(jì)算。

3 開孔補(bǔ)強(qiáng)接管有效外伸長度及橢圓開孔直徑的確定

3.1 開孔補(bǔ)強(qiáng)接管有效外伸長度

舊標(biāo)準(zhǔn)GB150-1998《鋼制壓力容器》標(biāo)準(zhǔn)里沒有明確的給出開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算截面的選取。在實(shí)際設(shè)計(jì)中有些設(shè)計(jì)者往往分不清接管實(shí)際外伸長度具體指的是筒體軸向截面的外伸高度還是筒體徑向截面的外伸高度，而且非徑向接管的外伸端面并非平行于筒體表面，因此在徑向和軸向截面上接管兩側(cè)的伸出長度也不一定相等。在這種情況下，簡(jiǎn)單的選取最短邊就有可能造成裕量過大和材料浪費(fèi)。新標(biāo)準(zhǔn)GB150.3-2011 中規(guī)定了： 所需最小補(bǔ)強(qiáng)面積應(yīng)在下列規(guī)定的截面上求取，對(duì)于圓筒或錐殼開孔，該截面通過開孔中心點(diǎn)與筒體軸線，對(duì)于凸形封頭和球殼開孔，該截面通過開孔中心點(diǎn)沿開孔最大尺寸方向且垂直于殼體表面。這一規(guī)定明確了開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的取值截面，給設(shè)計(jì)者帶來很大的方便，其理論依據(jù)是因?yàn)閮?nèi)壓圓筒的計(jì)算厚度公式是根據(jù)一次總體環(huán)向薄膜應(yīng)力所導(dǎo)出的，環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的兩倍，是筒體中最大的一次薄膜應(yīng)力，并且為縱向截面所承載。因此，開孔削薄的計(jì)算面積也應(yīng)是軸向截面,相應(yīng)的接管外伸有效高度也應(yīng)是在軸向截面上接管的外伸高度。

3.2 橢圓開孔直徑的確定

SW6-2011 計(jì)算橢圓開孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，輸入開孔直徑的通常處理辦法為： 位于封頭上的橢圓人孔在確定開孔直徑時(shí)應(yīng)按長軸尺寸確定；位于筒體上時(shí)，按平行設(shè)備軸線方向的開孔尺寸確定。例如，橢圓開孔的短軸平行于設(shè)備的軸線，那么開孔尺寸按短軸尺寸計(jì)算。這主要取決于設(shè)備的應(yīng)力分布，筒體的軸向應(yīng)力是其環(huán)向應(yīng)力值得一半。

4 結(jié)論

SW6-2011 計(jì)算軟件在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，提高了設(shè)計(jì)效率，給設(shè)計(jì)人員帶來了很大的方便，但對(duì)設(shè)計(jì)人員的素質(zhì)也提出了較高的要求。有的設(shè)計(jì)人員由于缺乏正確理解常用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和軟件計(jì)算的理論基礎(chǔ)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)輸入有誤，又忽略計(jì)算過程，得出錯(cuò)誤的結(jié)論，產(chǎn)生安全隱患。開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算是壓力容器強(qiáng)度計(jì)算的重要部分，需要設(shè)計(jì)人員充分考慮設(shè)計(jì)參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)要求、計(jì)算方法及特殊情況對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)整，重視設(shè)計(jì)過程中的某些細(xì)節(jié)問題，計(jì)算時(shí)嚴(yán)格校審選用的模塊、輸入的數(shù)據(jù)、輸出的結(jié)果，詳細(xì)檢查計(jì)算書的每一個(gè)數(shù)據(jù)是否正確，確保其符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定，保證設(shè)備的安全可靠性。

［1］GB150.1～150.4-2011,壓力容器[S].

［2］全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)編.壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程[M].北京：新華出版社,2005,10：208.

［3］HG20582-2011 鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定[S].

［4］秦叔經(jīng).SW6-2011 在工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[R].全國化工設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)中心站.

［5］[美]法爾（Farr,J.R.）賈瓦德（Jawad,M.H）,鄭津洋,等譯.ASME 壓力容器設(shè)計(jì)指南.2 版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2003.3：107.

［6］GB/T25198-2010 壓力容器封頭[S].

［7］TSG R0004-2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].