基于規(guī)則設(shè)計(jì)的壓力容器大開孔強(qiáng)度計(jì)算程序編制①

孟 巖

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司)

基于規(guī)則設(shè)計(jì)的壓力容器大開孔強(qiáng)度計(jì)算程序編制①

孟 巖

(沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司)

沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司現(xiàn)有壓力容器設(shè)計(jì)軟件是基于GB 150標(biāo)準(zhǔn)編制的，對(duì)開孔率超出0.5的大開孔結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)此，對(duì)比研究了國外標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)則設(shè)計(jì)法，并以此為理論基礎(chǔ)，在Excel中編制強(qiáng)度計(jì)算程序。該程序共涵蓋兩套標(biāo)準(zhǔn)算法(ASME BPVC 2015和ΓOCT 24755)，可快速計(jì)算并進(jìn)行結(jié)果對(duì)比，且已成功應(yīng)用于數(shù)臺(tái)大開孔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

壓力容器 大開孔 強(qiáng)度 規(guī)則設(shè)計(jì) ASME BPVC 2015 ΓOCT 24755

壓力容器的可靠運(yùn)行對(duì)石化、能源、科研和軍工領(lǐng)域都有著十分重要的意義。壓力容器筒體上大開孔補(bǔ)強(qiáng)是壓力容器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1，2]。通常來講，壓力容器設(shè)計(jì)有兩個(gè)途徑，即規(guī)則設(shè)計(jì)(歐盟稱公式設(shè)計(jì))和分析設(shè)計(jì)。規(guī)則設(shè)計(jì)依據(jù)彈性失效準(zhǔn)則，屬于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)范疇，方便快捷，占主導(dǎo)地位，缺點(diǎn)是比分析設(shè)計(jì)保守[3，4]。

筆者所在公司現(xiàn)有的壓力容器設(shè)計(jì)軟件是基于GB 150標(biāo)準(zhǔn)編制的。它規(guī)定內(nèi)徑在1 500mm以內(nèi)的容器開孔不能超過內(nèi)徑的一半，且同時(shí)不能超過500mm；內(nèi)徑超過1 500mm的容器開孔不能超過內(nèi)徑的1/3，且同時(shí)不能超過1 000mm[5]。隨著近年來容器設(shè)備的規(guī)格逐漸增大，對(duì)外接口的直徑也越來越大，這一限定已滿足不了開孔的需求。

相比國內(nèi)其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，JB 4732已許久未升版(目前最新的是2005年確認(rèn)版)[6]，由于成文太久，安全系數(shù)太高，可參考價(jià)值不大。例如對(duì)一次膜應(yīng)力校核時(shí)，要求小于0.90σs，而ASME BPVC-VIII-2015標(biāo)準(zhǔn)已更新為0.95σs[7，8]；對(duì)一次膜加彎應(yīng)力校核時(shí)，根據(jù)實(shí)際膜應(yīng)力值，分別要求小于1.35σs或2.15σs與1.2倍一次膜應(yīng)力之差，而ASME已相應(yīng)更新為1.43σs或2.43σs與1.5倍一次膜應(yīng)力之差。

在查詢國外標(biāo)準(zhǔn)解決方案時(shí)，除ASME標(biāo)準(zhǔn)外，筆者還在欒春遠(yuǎn)的兩本著作中了解到俄羅斯壓力容器國家標(biāo)準(zhǔn)，他認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn)所載的補(bǔ)強(qiáng)面積法要優(yōu)于ASME所載壓力-面積應(yīng)力法[9，10]。為使計(jì)算程序涵蓋的理論更廣泛，更具研究價(jià)值，筆者將兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的公式都編入Excel中。程序中的參數(shù)形式參照ASME PTB-4-2013標(biāo)準(zhǔn)[11]中的范例格式，確保了參數(shù)輸入形式的專業(yè)性。

1 ASME計(jì)算程序

1.1理論公式

根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)則設(shè)計(jì)步驟，并從中將厚度附加裕量提取出來，對(duì)公式進(jìn)行適當(dāng)變形：

a. 確定筒體有效半徑。Reff=0.5(Di+2c)。

b. 計(jì)算沿筒壁的補(bǔ)強(qiáng)極限。這部分ASME分為兩種計(jì)算方法，分別是整體補(bǔ)強(qiáng)接管和帶補(bǔ)強(qiáng)圈的接管，這兩種計(jì)算方法又針對(duì)接管嵌入式和外裝式有不同的公式，根據(jù)當(dāng)前結(jié)構(gòu)形式選取公式LR=min[(Reff(t-c)0.5，2Rn]。

c. 計(jì)算沿接管壁的補(bǔ)強(qiáng)極限。ASME在這部分與下一步分別計(jì)算了筒體內(nèi)、外表面接管壁的補(bǔ)強(qiáng)極限，根據(jù)當(dāng)前結(jié)構(gòu)形式選取公式，LH=min[1.5×(t-c)+(Rn×(tn-c′))0.5，Lpr1，8(t-c)]+(t-c)。

d. 計(jì)算開孔附近的可用面積。首先計(jì)算金屬非線性系數(shù)和接管材料因子，λ=min[(2Rn+tn-c′)/((Di+t-c) ×(t-c))0.5，12.0]，frn=min[sn/s，1]，計(jì)算殼體貢獻(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)面積A1=(t-c) ×LR×max[(λ/5)0.85，1.0]，計(jì)算筒體外側(cè)接管貢獻(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)面積A2=(tn-c′) ×LH，計(jì)算焊接貢獻(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)面積A41=0.5×L412，計(jì)算總補(bǔ)強(qiáng)面積AT=A1+frn×A2+A41。

e. 計(jì)算受力。首先計(jì)算用于力的計(jì)算的接管半徑和筒體半徑Rxn=(tn-c′)/ln[1+(tn-c′)/Rn]，Rxs=(t-c)/ln[1+(t-c)/Reff]，ASME標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)偏心開孔的計(jì)算，體現(xiàn)在開孔處弦長公式上，為計(jì)算弦長公式，先計(jì)算夾角。在計(jì)算程序中設(shè)置了條件判別，通過識(shí)別偏心開孔的偏心距取值來進(jìn)行公式篩選，θ1=arccos[Dx/Reff]，θ2=arccos[(Dx+Rn)/Reff]；計(jì)算開孔處長弦半徑，當(dāng)Dx=0時(shí)，Rnc=Rn，否則，Rnc=max[Reff×(θ1-θ2)/2，Rn]，計(jì)算筒體外側(cè)接管受內(nèi)壓作用力fN=p×Rxn×LH，計(jì)算筒體受內(nèi)壓作用力fS=p×Rxs×(LR+tn-c′)，計(jì)算內(nèi)壓引起的不連續(xù)力fY=p×Rxs×Rnc。

f. 計(jì)算膜應(yīng)力。計(jì)算開孔處平均局部主要膜應(yīng)力σavg=(fN+fS+fY)/AT，計(jì)算開孔處總體主要膜應(yīng)力σcirc=p×Rxs/(t-c)，計(jì)算最大局部主要膜應(yīng)力PL=max[(2×σavg-σcirc)，σcirc]。

g. 結(jié)果評(píng)定。首先計(jì)算接管口局部許用膜應(yīng)力Sallow=1.5×S×E，所計(jì)算的最大局部主要膜應(yīng)力需滿足PL≤Sallow。

ASME標(biāo)準(zhǔn)中的符號(hào)說明如下：

A1——?dú)んw貢獻(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)面積；

A2——筒體外側(cè)接管貢獻(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)面積；

A41——焊接貢獻(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)面積；

AT——開孔附近的可用總面積；

c——筒體壁厚附加量；

c′——接管壁厚附加量；

Di——筒體內(nèi)徑；

Dx——偏心開孔偏心距；

E——焊接強(qiáng)度系數(shù)；

frn——接管材料因子；

fN——筒體外側(cè)接管受內(nèi)壓作用力；

fS——筒體受內(nèi)壓作用力；

fY——內(nèi)壓引起的不連續(xù)力；

L41——接管與筒體間焊腳長度；

Lpr1——筒體外側(cè)的接管長度；

LR——沿筒壁的補(bǔ)強(qiáng)極限；

LH——沿接管壁的補(bǔ)強(qiáng)極限；

p——計(jì)算壓力；

PL——最大局部主要膜應(yīng)力；

Reff——筒體有效半徑；

Rn——接管內(nèi)半徑；

Rnc——開孔處長弦半徑；

Rxn——用于力的計(jì)算的接管半徑；

Rxs——用于力的計(jì)算的筒體半徑；

s——計(jì)算溫度下筒體材料許用應(yīng)力；

sn——計(jì)算溫度下接管材料許用應(yīng)力；

Sallow——接管口局部許用膜應(yīng)力；

t——筒體名義壁厚；

tn——接管名義壁厚；

θ1——偏心開孔時(shí)角一；

θ2——偏心開孔時(shí)角二；

λ——金屬的非線性系數(shù)；

σavg——平均局部主要膜應(yīng)力；

σcirc——總體主要膜應(yīng)力。

1.2程序編制

應(yīng)用Excel軟件編制程序界面，使用者在黃色區(qū)域輸入設(shè)計(jì)參數(shù)后，計(jì)算結(jié)果便會(huì)立刻在結(jié) 論區(qū)顯示出來。當(dāng)結(jié)果滿足要求時(shí)，效果如圖1所示，在最底行顯示出綠色和“滿足標(biāo)準(zhǔn)要求”的黑色加粗字體；當(dāng)結(jié)果不滿足要求時(shí)，效果如圖2所示，在最底行顯示出紅色和“不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求”的黑色加粗字體。

圖1 結(jié)果滿足要求時(shí)的界面

圖2 結(jié)果不滿足要求時(shí)的界面

2 ΓOCT 24755計(jì)算程序

2.1理論公式

俄羅斯聯(lián)邦國家標(biāo)準(zhǔn)ΓOCT 24755計(jì)算步驟如下：

a. 計(jì)算壁厚。筒體的計(jì)算壁厚計(jì)算式為sp=p×Dp/(2×[σ] ×φ-p)，無論對(duì)受內(nèi)壓，還是受外壓的接管，其計(jì)算壁厚s1p=p(d+2×cs)/(2×[σ]1×φ1-p)。

b. 計(jì)算接管長度。標(biāo)準(zhǔn)中給出了參與開孔補(bǔ)強(qiáng)接管在殼體內(nèi)、外側(cè)的計(jì)算長度公式，根據(jù)當(dāng)前結(jié)構(gòu)形式選取公式l1p=min{l1；1.25[(d+2cs)×(s1-cs)]0.5}。

c. 計(jì)算寬度。在圓筒、錐殼過渡段和封頭上補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域的寬度L0=(Dp(s-c))0.5。

d. 計(jì)算許用應(yīng)力比。接管外側(cè)部分的許用應(yīng)力比χ1=min{1.0；[σ]1/[σ]}。

e. 不要求補(bǔ)強(qiáng)的開孔計(jì)算直徑。這是該標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)獨(dú)特技術(shù)，在沒有多余壁厚的條件下，當(dāng)開孔尺寸小于這一計(jì)算值時(shí)，開孔不需要進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，不要求補(bǔ)強(qiáng)的開孔計(jì)算直徑d0p=0.4×(Dp(s-c))0.5。

f. 不要求補(bǔ)強(qiáng)的單個(gè)開孔計(jì)算直徑。如果相鄰兩個(gè)接管外表面之間的距離滿足計(jì)算寬度之和，則該標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為兩個(gè)開孔彼此不產(chǎn)生影響，認(rèn)為可按照單個(gè)開孔的計(jì)算式進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。筆者所在公司的容器開孔在同一內(nèi)徑的圓筒上，故這個(gè)距離小于兩倍的計(jì)算寬度就認(rèn)為可按照單開孔進(jìn)行后續(xù)相應(yīng)計(jì)算，條件式為b≥2×(Dp(s-c))0.5，在容器存在多余壁厚的條件下，不要求額外補(bǔ)強(qiáng)的單個(gè)開孔計(jì)算直徑d0=2×[(s-c)/sp-0.8] ×(Dp(s-c))0.5，當(dāng)單個(gè)開孔的計(jì)算直徑小于d0時(shí)，則后續(xù)的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算不必進(jìn)行。

g. 計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)面積。采用增加容器或接管壁厚，或采用補(bǔ)強(qiáng)圈，或采用折邊式嵌入環(huán)，或采用在開孔處殼體翻邊等補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí)，均按以下計(jì)算式計(jì)算，當(dāng)前結(jié)構(gòu)狀態(tài)所能貢獻(xiàn)的補(bǔ)強(qiáng)面積為lip×(s1-s1p-cs) ×χ1+L0×(s-sp-c)，當(dāng)前結(jié)構(gòu)所需補(bǔ)強(qiáng)面積為0.5×(dp-d0p) ×sp，其中dp包含徑向開孔和偏心開孔(在該標(biāo)準(zhǔn)中稱為切向開孔)，dp=max{d；0.5t}+2×cs。

h. 結(jié)果評(píng)定。要滿足補(bǔ)強(qiáng)合格條件，貢獻(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)面積需要不小于所需補(bǔ)強(qiáng)面積，即補(bǔ)強(qiáng)面積要有裕量，即lip×(s1-s1p-cs) ×χ1+L0×(s-sp-c)-0.5×(dp-d0p) ×sp≥0。

俄羅斯聯(lián)邦國家標(biāo)準(zhǔn)中的符號(hào)說明如下：

b——兩接管外表面間的最近距離；

c——筒體壁厚總附加量；

cs——接管壁厚總附加量；

d——接管內(nèi)徑；

d0——不要求補(bǔ)強(qiáng)的單個(gè)開孔計(jì)算直徑；

d0p——不要求補(bǔ)強(qiáng)的開孔計(jì)算直徑；

dp——開孔計(jì)算直徑；

Dp——筒體內(nèi)徑；

l1——接管名義長度；

l1p——接管計(jì)算長度；

L0——筒體補(bǔ)強(qiáng)寬度；

p——計(jì)算壓力；

s——筒體名義壁厚；

sp——筒體計(jì)算壁厚；

s1——接管名義壁厚；

s1p——接管計(jì)算壁厚；

t——接管開孔處弧長；

[σ]——計(jì)算溫度下筒體材料的許用應(yīng)力；

[σ]1——計(jì)算溫度下接管材料的許用應(yīng)力；

χ1——許用應(yīng)力比；

φ——筒體焊縫強(qiáng)度系數(shù)；

φ1——接管焊縫強(qiáng)度系數(shù)。

2.2程序編制

應(yīng)用Excel軟件編制程序界面，當(dāng)結(jié)果滿足要求時(shí)，效果如圖3所示，在最底行顯示出綠色和“滿足標(biāo)準(zhǔn)要求”的黑色加粗字體；當(dāng)結(jié)果不滿足要求時(shí)，效果如圖4所示，在最底行顯示出紅色和“不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求”的黑色加粗字體。

圖3 結(jié)果滿足要求時(shí)的界面

圖4 結(jié)果不滿足要求時(shí)的界面

3 對(duì)比研究

在同等設(shè)計(jì)條件下，根據(jù)俄羅斯聯(lián)邦國家標(biāo)準(zhǔn)ΓOCT 24755所計(jì)算的壁厚要薄于根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的壁厚，由此可認(rèn)為ASME更保守，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)更節(jié)約材料。

在此選取一組相同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，即結(jié)構(gòu)尺寸、受力條件、材料及焊接工藝等完全統(tǒng)一。其計(jì)算結(jié)果如圖5、6所示。

圖5 ASME程序結(jié)果

圖6 ΓOCT 24755程序結(jié)果

程序中選取恰好能通過兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)最低限度的整數(shù)壁厚。ASME計(jì)算結(jié)果為：筒體與接管均需33mm；ΓOCT 24755計(jì)算結(jié)果為：筒體與接管均需29mm。故單純從壁厚角度來講，ΓOCT 24755標(biāo)準(zhǔn)要比ASME標(biāo)準(zhǔn)節(jié)約10%以上的材料資源。

4 結(jié)論

4.1為滿足壓力容器大開孔強(qiáng)度計(jì)算需求，借助國外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則設(shè)計(jì)方法編制Excel計(jì)算程序，使用方便，結(jié)果精確，已應(yīng)用于多臺(tái)壓力容器大開孔結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

4.2程序中涵蓋了ASME BPVC 2015和ΓOCT 24755兩套標(biāo)準(zhǔn)，可方便對(duì)比不同標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果，使計(jì)算結(jié)果更具研究價(jià)值。

4.3通過選取一組相同設(shè)計(jì)參數(shù)來對(duì)比兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)僅從從壁厚角度來講ΓOCT 24755標(biāo)準(zhǔn)要比ASME標(biāo)準(zhǔn)節(jié)約10%以上的材料資源。

[1] 劉景亮，劉寶慶，陳志平，等.壓力容器風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的技術(shù)進(jìn)展及報(bào)告編制[J].化工機(jī)械，2013，40(3)：273～279.

[2] 占雙林，袁玲.不同標(biāo)準(zhǔn)大開孔強(qiáng)度計(jì)算方法的分析比較[J].化工機(jī)械，2013，40(6)：748～752.

[3] 沈鋆，李濤.壓力容器分析設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)展介紹與修訂探討[J].化工機(jī)械，2016，43(5)：561～566.

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[7] ASME Boiler and Pressure Vessel Code，VIII Rules for Construction of Pressure Vessels Division 1[S].New York：The American Society of Mechanical Engineers，2015.

[8] ASME Boiler and Pressure Vessel Code，VIII Rules for Construction of Pressure Vessels Division 2 Alternative Rules[S].New York：The American Society of Mechanical Engineers，2015.

[9] 欒春遠(yuǎn).壓力容器ANSYS分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[10] 欒春遠(yuǎn).壓力容器全模型ANSYS分析與強(qiáng)度設(shè)計(jì)新規(guī)范[M].北京：中國水利水電出版社，2012.

[11] ASME PTB-4-2013，ASME Section VIII-Division 1 Example Problem Manual[S].New York：The American Society of Mechanical Engineers，2013.

2017-01-13)

(Continued from Page 476)

AbstractThe type test and inspection items of pressure pipes and fittings stipulated in “TSG D7002-2006 Pressure Piping Components Type Test Specification” were discussed to show that, some content descriptions of inspection items stipulated in TSG D7002-2006 Specification are ambiguous. The items listed without any explanation or paraphrases can incur divergence in correctly understanding the test and inspection items and controversy over the type test. Basing on work experiences, revision suggestions and concrete methods for test and inspection items were proposed to benefit the type test and inspection items of pressure pipes and fittings.

KeywordsTSG D7002-2006，pressure pipes and fittings, type test

ProgramsforPressureVesselswithLargeOpeningBasedonRuleDesign

MENG Yan

(ShenyangBlowerWorksGroupCorporation)

Considering the fact that GB 150 standard-based design software for pressure vessels fails to calculate the structure with large opening beyond 0.5 and through comparative study on the rule design abroad and basing on them theoretically, having strength calculation program worked out in Excel was implemented. This strength calculation program referring to ASME BPVC 2015 and ΓOCT 24755 can work quickly and compare the results simultaneously. It has been successfully applied in calculating the strength of the structure with large openings.

pressure vessel, large opening, strength, rule design, ASME BPVC 2015, ΓOCT 24755

孟巖(1980-)，高級(jí)工程師，從事離心式壓縮機(jī)力學(xué)分析工作，m_sfyan@yahoo.com.。

TQ051.3

A

0254-6094(2017)05-0523-05