低溫設(shè)備開孔補強結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

張春雪* 陸萍萍 董俊龍

（青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司）

0 引言

壓力容器設(shè)計時，為了滿足容器工藝、制造、安裝、檢驗及維修等方面的要求，需要設(shè)置各種不同大小的開孔。容器開孔后，不僅削弱了其整體強度，還會導(dǎo)致接管和容器壁的連接處出現(xiàn)局部高應(yīng)力，高應(yīng)力通?？蛇_(dá)到容器殼體一次總薄膜應(yīng)力的3 倍，有時甚至?xí)_(dá)到5～6 倍，同時部分接管還會受到管道載荷的作用以及因溫差產(chǎn)生的熱應(yīng)力作用，導(dǎo)致接管處受到的局部應(yīng)力進(jìn)一步增大。因此壓力容器設(shè)計時必須充分考慮開孔補強問題，合理選用補強結(jié)構(gòu)，使開孔處局部應(yīng)力降到最低。本文對一臺低溫儲罐中某一開孔的補強結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算，并通過對比計算結(jié)果得到了最佳補強結(jié)構(gòu)。

1 不同補強結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

現(xiàn)以某公司制造的一臺低溫儲罐為例。該儲罐的設(shè)計參數(shù)如下: 設(shè)計壓力p =2.6 MPa；設(shè)計溫度T =50 /-61 ℃；設(shè)備直徑D =3 000 mm；殼體、接管、補強圈的材料均為SA-537 CL2，該材料的許用應(yīng)力[σ]t=137.9 MPa。

1.1 補強圈補強

采用補強圈結(jié)構(gòu)對孔處進(jìn)行補強，殼體有效厚度t =23 mm，腐蝕裕量c = 3 mm；接管內(nèi)徑d =767 mm，接管有效厚度tn=20 mm；補強圈外徑Dp=1 313 mm，厚度te=39 mm。

（1）補強范圍

（2）補強面積計算

所需補強面積A 可通過下式計算：

殼體有效補強面積A1可通過下式計算：

接管有效補強面積A2可通過下式計算：

焊縫有效補強面積可通過下式計算:

補強圈有效補強面積A5可通過下式計算：

總補強面積為:

式中：F——校正系數(shù)，取F=1；

tr——殼體計算厚度，為21.99 mm；

trn——接管計算厚度，為5.655 mm；

E1——當(dāng)開孔在無縫處時取1；

fr1，fr2，fr3，fr4——強度削弱系數(shù)，均取1。

通過計算可知，接管補強符合強度要求。

1.2 厚壁接管補強

采用加厚接管結(jié)構(gòu)對開孔處進(jìn)行補強，如圖1 所示，接管有效厚度tn=20 mm，補強段接管有效厚度thn=147 mm，補強段高度h =260 mm。

圖1 加厚接管補強結(jié)構(gòu)

（1）補強范圍

（2）補強面積

所需補強面積A 為：

殼體有效補強面積 可通過下式計算：

接管有效補強面積 可通過下式計算：

焊縫有效補強面積可通過下式計算:

總補強面積為：

通過計算可知，接管補強符合強度要求。

1.3 局部加厚殼體補強

采用局部加厚殼體+加厚接管方式對開孔處進(jìn)行補強，如圖2 所示，接管有效厚度tn=20 mm；補強段接管有效厚度thn=78.5 mm；局部加厚殼體的有效厚度為 t =30 mm，外徑DO=1 610 mm。

（1）補強范圍

圖2 局部加厚殼體+加厚接管補強結(jié)構(gòu)

（2）補強面積計算

所需補強面積 為：

接管有效補強面積 可通過下式計算：

焊縫有效補強面積為:

總補強面積為：

通過計算可知，接管補強符合強度要求。

2 不同補強方案對設(shè)備的影響

（1）采用補強圈對開孔進(jìn)行補強時，根據(jù)GB/T 150.3—2011《壓力容器 第3 部分：設(shè)計》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，補強圈厚度應(yīng)小于或等于1.5 倍的殼體壁厚，所以選取補強圈厚度為39 mm，補強圈寬度為250 mm，即當(dāng)補強圈外徑為1 313 mm 時，該接管補強校核合格。補強圈的補強結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，但補強圈與殼體間需要焊接，因此其抗疲勞性能差，且與殼體表面難以完全貼合，會對中高溫容器產(chǎn)生較大的局部熱應(yīng)力。該設(shè)備工作溫度為42 ℃左右，而環(huán)境溫度為-61 ℃，二者溫差較大，補強圈結(jié)構(gòu)會對殼體產(chǎn)生約束，從而引起局部應(yīng)力，因此該設(shè)備應(yīng)盡量避免使用補強圈。

（2）采用加厚接管進(jìn)行補強時，經(jīng)計算接管需加厚至150 mm 方能滿足補強要求，而殼體厚度為26 mm，δnt/δ=5.77，補強結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)突變明顯。根據(jù)GB/T 150—2011 標(biāo)準(zhǔn)中附錄E 規(guī)定，該設(shè)備為低溫容器，應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)突變，以減小局部應(yīng)力。另外，加厚接管高度為266 mm，厚度為150 mm，只能采用鍛件制造，且該鍛件尺寸大，質(zhì)量大，制造周期長，成本較高，經(jīng)濟(jì)性較差。

（3）采用局部加厚殼體同時加厚接管的方式進(jìn)行補強時，局部加厚的殼體厚度為33 mm，是原殼體厚度的1.26 倍，補強段接管厚度為81.5 mm，δnt/δ=3.13，該方法與只加厚接管相比，減少了結(jié)構(gòu)突變程度，且接管厚度減小，質(zhì)量減小，成本較低，經(jīng)濟(jì)性更好。

3 結(jié)論

本文針對低溫設(shè)備的某個開孔，提出了3 種補強結(jié)構(gòu)形式，通過計算給出了3 種不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，從設(shè)備的局部應(yīng)力情況及經(jīng)濟(jì)性來比較其優(yōu)劣。比較后可知，局部加厚殼體結(jié)合加厚接管的補強結(jié)構(gòu)是最適合該設(shè)備的補強方案，可為低溫設(shè)備或不能使用補強圈或結(jié)構(gòu)連續(xù)性要求較高的設(shè)備開孔補強設(shè)計提供參考依據(jù)。