張 濤 李 娟 楊心理
(1.大慶石化工程有限公司;2.大慶油田化工集團東昊公司油氣處理分公司)
符號說明
Afp——接管上開孔區有效承壓金屬面積,mm2;
Afs——殼體上開孔區有效承壓金屬面積,mm2;
Afw——補強連接處凸出殼體表面的焊接接頭金屬面積,mm2;
Apb——補強有效范圍內接管內的壓力面積,mm2;
Aps——補強有效范圍內殼體內的壓力面積,mm2;
D——圓筒中面直徑,mm;
Di——殼體內徑,mm;
di——開孔處的接管內徑,mm;
K——等效總應力集中系數;
Km——等效薄膜應力集中系數;
nⅡ——等效薄膜應力校核系數;
nⅣ——等效總應力校核系數;
p——設計壓力,MPa;
SⅡ——等效薄膜應力,MPa;
SⅣ——等效總應力,MPa;
δe——殼體開孔處的有效厚度,mm;
ρ——開孔率;
[σ]b——接管材料許用應力,MPa;
[σ]p——補強圈材料許用應力,MPa;
[σ]s——殼體材料許用應力,MPa;
[σ]t——設計溫度下殼體材料的許用應力,MPa。
壓力容器開孔補強分析法是GB 150.3-2011《壓力容器第3部分:設計》中的新增內容[1],它是我國力學研究者多年的研究結果,指出開孔率ρ≤0.9;按HG/T 20582-2011規定的壓力面積法,圓筒殼體上采用接管補強的開孔,其開孔處的內徑di與殼體內徑Di之比di/Di≤1.0[2]。這兩種補強方法均極大地拓展了開孔補強的適用范圍,方便了設計者計算,但兩者也有許多不同點。筆者將結合實例,對該兩種補強方法進行比較。
某裝置有一立式容器,內徑1 300mm,筒體長度4 150mm,設計壓力2.16MPa,設計溫度240℃,殼體材料為Q345R,腐蝕裕量為3mm。筒體上有一DN600mm的人孔,人孔筒節材料為Q345R。按GB 150-2011計算,筒體名義厚度取14mm,人孔開孔最大直徑已超出了等面積法的適用范圍,但符合壓力面積法和分析法的適用條件。
按壓力面積法,人孔筒節為φ630mm×16mm[3],加補強圈φ840mm×14mm,對于接管和補強圈應滿足:
(Afs+Afw)([σ]s-0.5p)+Afp([σ]p-0.5p)+
Afp([σ]b-0.5p)≥p(Aps+Apb)
(1)
經計算:
(Afs+Afw)([σ]s-0.5p)+Afp([σ]p-0.5p)+
Afp([σ]b-0.5p)=1404862N
p(Aps+Apb)=1365934N
可知,接管和補強圈滿足式(1)的要求,并且補強面積裕量為:
經計算,人孔筒節需改為φ648mm×24mm,筒節長度至少為130mm,且開孔處筒體局部需將名義厚度改為18mm,需加厚的筒體長度至少為960mm。
2.2.1等效薄膜應力的計算
等效薄膜應力的計算式為:
(2)
SⅡ≤nⅡ[σ]t
(3)
等效薄膜應力許用值nⅡ[σ]t=351.12MPa,故計算合格。
設計裕量為:
2.2.2等效總應力的計算
等效總應力計算式為:
(4)
SⅣ≤nⅣ[σ]t
(5)
等效總應力許用值nⅣ[σ]t=414.96MPa,故計算合格。
設計裕量為:
從以上計算可以看出,在兩種補強方法裕量相差不大的情況下,用壓力面積法僅需加補強圈,補強圈質量為47kg;用分析法補強時,需同時加厚人孔筒節與設備筒體,加厚部分質量約為140kg。
同時,兩種補強方法均對制造提出了一些特殊要求,例如:接管或補強件與殼體應采用全焊透結構;接管與殼體連接內外壁應圓滑過渡;補強范圍內的A、B類焊接接頭應無損檢測合格;接管有效厚度與殼體有效厚度之比有限制;接管、殼體、補強件材料屈強比不應太高(壓力面積法屈強比不大于0.68,分析法屈強比不大于0.80)。
兩種補強方法的不同之處在于,壓力面積法明確地提出應避免采用標準常溫抗拉強度下限值大于540MPa的材料,如若采用,需在設計及檢驗等方面作特殊考慮。另外,壓力面積法按HG/T 20582-2011規定限制較多。
介紹了壓力面積法和分析法計算開孔補強的過程,并對兩種補強方法進行了比較。在計算中還應注意兩點:開孔補強的分析法列入GB 150后,在等面積法不適用、但壓力面積法和分析法均適用的大開孔情況下,設計者將優先使用分析法;用分析法時,筒體和接管厚度應做合理調整,并對制造和無損檢測提出要求。
[1] GB 150.1~150.4-2011,壓力容器[S].北京:國家質檢出版社,2011.
[2] HG/T 20582-2011,鋼制化工容器強度計算規定[S].北京:中華人民共和國工業和信息化部,2011.
[3] HG/T 20514~21535-2005, 鋼制人孔和手孔[S].北京:中國計劃出版社,2009.