GB/T 150-2011中“開孔允許不另行補強”的探討

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幾乎所有國家的規(guī)范都規(guī)定了可不另行補強的最大孔徑。根據(jù)《壓力容器》GB/T 150-2011標準釋義說明，主要有以下三點依據(jù)：

(1) 容器在設(shè)計制造中，由于各種原因，殼體或封頭的有效厚度往往高于其計算厚度，厚度的增加使一次薄膜應(yīng)力減小，并相應(yīng)地使最大應(yīng)力值降低。這種情況實際上可看做容器已經(jīng)整體被加強，故不必另行補強。

(2) 容器上的開孔一般總有接管相連，其接管有效厚度也高于計算厚度，多余的金屬已起補強作用，故對一定口徑的開孔，可不必另行補強。

(3) 實際工程中，壓力容器的應(yīng)力集中系數(shù)允許≤3.0(未考慮管道外載荷等應(yīng)力集中的影響)，其中應(yīng)力集中系數(shù)的計算公式為：

(1)

由式(1)可知,在一定的容器直徑D和壁厚S下，存在一定范圍的孔徑d，可使K≤3.0[1]。

1 開孔補強原理分析

峰值應(yīng)力危害性在于可能導(dǎo)致疲勞裂紋或脆性斷裂，GB/T 150-2011中僅對脆性斷裂從結(jié)構(gòu)上加以限制，未考慮峰值應(yīng)力對疲勞裂紋的影響。

2 GB/T 150-2011中“允許不另行開孔補強”條款分析

GB/T 150-2011.3[2]中6.1.3規(guī)定，殼體開孔滿足下述全部要求時，可不另行補強(非徑向位置接管開孔補強需按考慮接管中心線與筒體軸線距離限制)：

(1) 設(shè)計壓力≤2.5 MPa。

(2) 兩相鄰開孔中心的間距(對曲面間距以弧長計算)應(yīng)不小于兩孔直徑之和；對于3個或以上相鄰開孔，任意兩孔中心的間距(對曲面間距以弧長計算)應(yīng)不小于兩孔直徑之和的2.5倍。

(3)接管外徑小于或等于89 mm。

(4) 接管壁厚滿足表1要求，表中接管壁厚的腐蝕余量為1mm，需要加大腐蝕余量時，應(yīng)相應(yīng)增加壁厚。

表1 開孔允許不另行補強的接管外徑、壁厚要求 (mm)

(5)開孔不得位于A、B類焊接接頭上。

(6)鋼材的標準抗拉強度下限值Rm≥540 MPa時，接管與殼體的連接宜采用全焊透的結(jié)構(gòu)形式。

下面針對GB/T 150-2011.3中6.1.3小節(jié)的規(guī)定逐條進行分析。

(1)符合GB/T 150-2011.3中第6.1.3小節(jié)的小開孔基本滿足第6.6節(jié)中分析法的適用范圍，可以借鑒分析法開孔補強的校核條件來分析本條的合理性，即開孔補強強度計算需滿足SⅡ≤2.2Sm；SⅣ≤2.6Sm，其中：

SⅡ=Kmσ

(2)

SⅣ=Kσ

(3)

由式(2)、(3)可知，壓力容器開孔處的強度僅與系數(shù)Km(K)和開孔處殼體的計算應(yīng)力強度有關(guān)，與壓力容器的設(shè)計壓力并無直接關(guān)系，因此本條中采用限制設(shè)計壓力來判斷是否需要另行開孔補強的合理性可能需要工程實踐來進一步驗證。

(3)由圖1～4[2]可明顯看出，在δet、δe、D確定的情況下，隨著d/D增大，一次加二次應(yīng)力強度集中系數(shù)K和一次局部薄膜應(yīng)力強度集中系數(shù)Km均顯著增大。

標準中通過限制“開孔允許不另行補強”的最大孔徑是正確的。然而，該條款中限制條件為最大接管“外徑”。根據(jù)等面積補強原理，壓力容器開孔補強所補的是承載面積，其孔徑應(yīng)為Di-2C1-2C2，即最大內(nèi)徑，因此該條應(yīng)結(jié)合第4條中規(guī)定的接管最小壁厚及腐蝕余量來統(tǒng)一分析判斷。

圖1 等效總應(yīng)力集中系數(shù)K曲線(1)

圖2 等效總應(yīng)力集中系數(shù)K曲線(2)

圖4 等效薄膜應(yīng)力集中系數(shù)Km曲線(2)

(4)該條款中，限制了“開孔允許不另行補強”接管的最小壁厚，而并未限制δet/δe，由圖1～4可查，δet/δe越小，一次加二次應(yīng)力強度集中系數(shù)K和一次局部薄膜應(yīng)力強度集中系數(shù)Km均會顯著增大。因此，若補充限制δet/δe的范圍，可能使本條規(guī)定更全面。

(5)壓力容器A、B類焊接接頭在焊接時可能產(chǎn)生缺陷，并產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，使焊縫和熱影響區(qū)質(zhì)量和材料力學(xué)性能下降。然而，若采取可靠的焊接工藝，并進行焊后消除應(yīng)力熱處理，輔以適當?shù)臒o損檢測，則可以避免上述缺陷，但出于安全考慮，標準中規(guī)定開孔不得位于A、B類焊接接頭上。

(6)鋼材的標準抗拉強度下限值Rm≥540 MPa(即高強鋼)屬于裂紋敏感材料，采用全焊透結(jié)構(gòu)，可以有效地避免因未全焊透引起的結(jié)構(gòu)突變，造成局部應(yīng)力集中過大，產(chǎn)生細微裂紋，從而引起壓力容器破壞。除高強鋼之外， Cr-Mo鋼也屬于裂紋敏感性材料,也宜采用全焊透的結(jié)構(gòu)形式。

3 舉例分析

Di=800，δn=7.5，dO=88.9，δnt=6，P=2.5，殼體材質(zhì)為Q345R，接管材質(zhì)為20Ⅱ鍛件，殼體與接管腐蝕余量均取1。采用SW6-2011 v4.0進行等面積開孔補強計算，計算結(jié)果見圖5。

開孔補強計算計算單位接管:N1,Φ 88.9×6計算方法: GB/T 150.3-2011等面積補強法,單孔設(shè)計條件簡圖計算壓力 pc2.5MPa設(shè)計溫度20℃殼體型式圓形筒體殼體材料名稱及類型Q345R板材殼體開孔處焊接接頭系數(shù)φ1殼體內(nèi)直徑 Di800mm殼體開孔處名義厚度δn7.5mm殼體厚度負偏差 C10.3mm殼體腐蝕裕量 C21mm殼體材料許用應(yīng)力[σ]t189MPa接管軸線與筒體表面法線的夾角(°)0接管軸線與封頭軸線的夾角(°)接管實際外伸長度100mm接管連接型式插入式接管接管實際內(nèi)伸長度0mm接管焊接接頭系數(shù)1接管材料名稱及類型20鍛件接管腐蝕裕量1mm補強圈材料名稱凸形封頭開孔中心至 封頭軸線的距離mm補強圈外徑mm補強圈厚度mm接管厚度負偏差 C1t0mm補強圈厚度負偏差 C1rmm接管材料許用應(yīng)力[σ]t152MPa補強圈許用應(yīng)力[σ]tMPa開孔補強計算非圓形開孔長直徑78.9mm開孔長徑與短徑之比1殼體計算厚度δ5.3262mm接管計算厚度δt0.6542mm補強圈強度削弱系數(shù) frr0接管材料強度削弱系數(shù)fr0.8042開孔補強計算直徑 d78.9mm補強區(qū)有效寬度 B157.8mm接管有效外伸長度 h119.862mm接管有效內(nèi)伸長度 h20mm開孔削弱所需的補強面積A431mm2殼體多余金屬面積 A167mm2接管多余金屬面積 A2147mm2補強區(qū)內(nèi)的焊縫面積 A311mm2A1+A2+A3= 225 mm2,小于A,需另加補強。補強圈面積 A40mm2A-(A1+A2+A3)206mm2結(jié)論:不合格圖5 等面積補強計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果，A1+A2+A3=225mm2，小于開孔削弱所需的補強面積A=431mm2，所差補強面積與所需面積之比約為48%。為了進一步驗證，按GB/T 150.3-2011中6.6節(jié)分析法進行進一步驗算。

計算步驟：

查圖J-2，得：

由上可見，按GB/T 150.3-2011中6.6節(jié)分析法計算得到的結(jié)果也是不合格的，該開孔可能存在風(fēng)險。

對上述算例進行調(diào)整，向外增加接管壁厚至12mm，殼體厚度保持不變，重新計算，見圖6。

開孔補強計算計算單位接管:N1,Φ 100.9×12計算方法:GB/T 150.3-2011等面積補強法,單孔設(shè)計條件簡圖計算壓力 pc2.5MPa設(shè)計溫度20℃殼體型式圓形筒體殼體材料名稱及類型Q345R板材殼體開孔處焊接接頭系數(shù)φ1殼體內(nèi)直徑 Di800mm殼體開孔處名義厚度δn7.5mm殼體厚度負偏差 C10.3mm殼體腐蝕裕量 C21mm殼體材料許用應(yīng)力[σ]t189MPa接管軸線與筒體表面法線的夾角(°)0接管軸線與封頭軸線的夾角(°)接管實際外伸長度100mm接管連接型式插入式接管接管實際內(nèi)伸長度0mm接管焊接接頭系數(shù)1接管材料名稱及類型20鍛件接管腐蝕裕量1mm補強圈材料名稱凸形封頭開孔中心至封頭軸線的距離mm補強圈外徑mm補強圈厚度mm接管厚度負偏差 C1t0mm補強圈厚度負偏差 C1rmm接管材料許用應(yīng)力[σ]t152MPa補強圈許用應(yīng)力[σ]tMPa開孔補強計算非圓形開孔長直徑78.9mm開孔長徑與短徑之比1殼體計算厚度δ5.3262mm接管計算厚度δt0.6376mm補強圈強度削弱系數(shù) frr0接管材料強度削弱系數(shù)fr0.8042開孔補強計算直徑 d78.9mm補強區(qū)有效寬度 B157.8mm接管有效外伸長度 h130.77mm接管有效內(nèi)伸長度 h20mm開孔削弱所需的補強面積A443mm2殼體多余金屬面積 A165mm2接管多余金屬面積 A2513mm2補強區(qū)內(nèi)的焊縫面積 A322mm2A1+A2+A3= 601 mm2,大于A,不需另加補強。補強圈面積 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2結(jié)論:合格圖6 調(diào)整壁厚后計算結(jié)果

調(diào)整壁厚后計算結(jié)果合格。

4 結(jié)語

GB/T 150-2011中關(guān)于允許不另行開孔補強的條款是根據(jù)我國壓力容器發(fā)展歷史、使用情況等根據(jù)經(jīng)驗來確定的。然而，通過以上分析，該條款中的一些子條款的合理性是值得研究和探討的，在實際應(yīng)用中可能會出現(xiàn)一定問題，設(shè)計者應(yīng)根據(jù)每臺設(shè)備設(shè)計參數(shù)的具體情況來具體分析，確保壓力容器設(shè)計的安全、可靠。

符 號 說 明

Di筒體內(nèi)徑，mm

dO接管外徑，mm

K 一次加二次應(yīng)力強度集中系數(shù)

Km一次局部薄膜應(yīng)力強度集中系數(shù)

P 計算壓力，MPa

D 筒體中面直徑，mm

Sm材料設(shè)計應(yīng)力強度，MPa

δn殼體名義厚度，mm

δnt接管名義厚度，mm

δe殼體有效厚度，mm

δet接管有效厚度，mm