壓力容器特殊開孔結(jié)構(gòu)探究

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摘要：某些制冷裝置用壓力容器因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，需要設(shè)計(jì)成一種特殊的開孔結(jié)構(gòu)，通過對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)可以采用等面積補(bǔ)強(qiáng)方法對(duì)本開孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，且計(jì)算結(jié)果偏于安全?；诘让娣e補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法，給出了開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算公式，并提出此開孔結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、制造方面需注意的要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:壓力容器；特殊開孔；開孔補(bǔ)強(qiáng)；計(jì)算方法；等面積補(bǔ)強(qiáng)法；制冷裝置

壓力容器用于原料儲(chǔ)存、熱量交換、物質(zhì)傳遞及化學(xué)反應(yīng)等場(chǎng)合。因此，需要在壓力容器的殼體上開孔，安裝用于物料輸送、參數(shù)測(cè)量和檢修的接管。在壓力容器殼體上開孔后，不但削弱了殼體的強(qiáng)度，而且由于開孔部位結(jié)構(gòu)具有不連續(xù)性，使開孔附近應(yīng)力增大，產(chǎn)生應(yīng)力集中，加上壓力載荷、溫度載荷和來自接管的外部載荷，同時(shí)，接管與殼體連接的接頭可能存在缺陷，因此開孔部位通常成為壓力容器的破壞源。根據(jù)彈性力學(xué)計(jì)算可知，開孔部位的應(yīng)力集中具有局限性，離開孔位置越遠(yuǎn)，應(yīng)力越小，應(yīng)力集中的作用范圍是dδ%姨（其中，d為殼體直徑，δ為殼體壁厚）［1］。為防止壓力容器在開孔處發(fā)生強(qiáng)度破壞，需要在開孔邊緣進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。

1開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法

文獻(xiàn)［2］介紹了等面積補(bǔ)強(qiáng)法、極限分析補(bǔ)強(qiáng)法和安定性分析補(bǔ)強(qiáng)法。等面積補(bǔ)強(qiáng)的基本原理是補(bǔ)強(qiáng)金屬面積不小于被削弱的金屬面積，補(bǔ)強(qiáng)后的應(yīng)力集中系數(shù)在1.5~3.0之間，強(qiáng)度安全系數(shù)可達(dá)到4~5；極限分析補(bǔ)強(qiáng)法也稱彈性失效補(bǔ)強(qiáng)法，是以極限分析為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法，補(bǔ)強(qiáng)后的應(yīng)力集中系數(shù)等于2.25，最大應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)2.25；安定性分析補(bǔ)強(qiáng)法也稱彈塑性失效補(bǔ)強(qiáng)法，它允許補(bǔ)強(qiáng)后的容器在開孔附近出現(xiàn)塑性變形，但在后續(xù)加載過程中不能產(chǎn)生新的塑性變形，補(bǔ)強(qiáng)后的應(yīng)力集中系數(shù)等于3，最大應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)3。極限分析補(bǔ)強(qiáng)法和安定性分析補(bǔ)強(qiáng)法都不能用于高循環(huán)載荷壓力容器，且必須采用整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［3］介紹了等面積補(bǔ)強(qiáng)法、壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法和開孔補(bǔ)強(qiáng)的另一方法。壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法的原理是容器殼體的有效補(bǔ)強(qiáng)面積與該材料許用應(yīng)力的乘積不小于有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的壓力作用面積與壓力的乘積，其適用的最大開孔率為0.8，比等面積補(bǔ)強(qiáng)法的適用范圍更寬。而開孔補(bǔ)強(qiáng)的另一方法實(shí)際與文獻(xiàn)［2］中的極限分析補(bǔ)強(qiáng)法相同。文獻(xiàn)［4］介紹了等面積補(bǔ)強(qiáng)法、彈塑性失效補(bǔ)強(qiáng)法、壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法和彈性失效補(bǔ)強(qiáng)法。

2開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，GB/T150.3—2011《壓力容器第3部分：設(shè)計(jì)》［5］采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法和分析法，等面積補(bǔ)強(qiáng)法對(duì)球殼、平蓋和凸形封頭適用于開孔率不大于0.5的情況，對(duì)錐形封頭適用于開孔率不大于0.333的情況，分析法適用于圓筒上徑向接管開孔率不大于0.9的情況。JB/T4732—1995（2005年確認(rèn)）《鋼制壓力容器———分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［6］也采用等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，同樣適用于開孔率不大于0.5的情況，另外在規(guī)范性附錄中提出了適用于球殼徑向接管開孔率不大于0.8的塑性失效極限分析法。HG/T20582—2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》［7］采用等面積補(bǔ)強(qiáng)法和壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法，對(duì)不考慮接管補(bǔ)強(qiáng)而只用殼體補(bǔ)強(qiáng)的，適用的開孔率不大于0.5；對(duì)采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的，適用的開孔率不大于0.5；對(duì)球殼和凸形封頭有接管或凸緣補(bǔ)強(qiáng)的，適用的開孔率不大于0.6；對(duì)采用接管補(bǔ)強(qiáng)的圓筒，適用的開孔率不大于1.0?？梢?，HG/T20582—2011對(duì)壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法的適用范圍很寬。但HG/T20582—2011規(guī)定了該標(biāo)準(zhǔn)中的壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法不適用于材料的常溫屈強(qiáng)比大于0.68、具有應(yīng)力腐蝕、可能產(chǎn)生蠕變或脈動(dòng)載荷的場(chǎng)合。

3特殊的開孔結(jié)構(gòu)與開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

3.1壓力容器上的特殊開孔

在制冷裝置用壓力容器上，有的開孔比較特殊，如儲(chǔ)氨器上設(shè)置的集油包，臥式蒸發(fā)器上設(shè)置的集油包、集氣包等，通常是在容器的殼體上開一個(gè)較小的圓孔，然后在圓孔的外側(cè)焊接一個(gè)比圓孔直徑大得多的圓管，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)主要用于收集容器內(nèi)的潤(rùn)滑油或制冷劑氣體，使得存在一個(gè)不受容器內(nèi)流體擾動(dòng)的、相對(duì)獨(dú)立的儲(chǔ)存空間，而容器殼體上的開孔主要起到聯(lián)通和輸送流體的作用。

3.2開孔結(jié)構(gòu)受力分析

集油包或集氣包與容器殼體連接部位的受力如圖2所示，集油包或集氣包覆蓋的容器殼體內(nèi)外均承受介質(zhì)的均布?jí)毫，因此，實(shí)際開孔直徑d1至集油包或集氣包內(nèi)徑d2之間的這部分殼體的徑向壓力相等、方向相反，受力平衡，環(huán)向應(yīng)力隨著d1的增加而增大，增加的應(yīng)力集中在開孔邊緣，在離開孔邊緣一定距離后，應(yīng)力不再增大。如果d1至d2的距離大于應(yīng)力衰減范圍，則不用考慮因開孔引起的局部薄膜應(yīng)力，工程上認(rèn)為因開孔增加的局部薄膜應(yīng)力衰減距離小于2d1。在集油包或集氣包與殼體連接處，由于集油包或集氣包的徑向膨脹變形受到限制，在連接處產(chǎn)生二次局部彎曲應(yīng)力。容器殼體在介質(zhì)壓力P作用下，集油包或集氣包處的約束影響該部位殼體的變形協(xié)調(diào)，會(huì)增加連接處的彎曲應(yīng)力，同樣，也會(huì)因影響集油包或集氣包在P作用下的變形協(xié)調(diào)而增加連接處的應(yīng)力。另外，在連接處還產(chǎn)生應(yīng)力集中這與普通的開孔接管處的受力情況相同。

3.3開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

根據(jù)受力分析，圖1這類特殊結(jié)構(gòu)的開孔仍然可以采用GB/T150.3—2011中的等面積補(bǔ)強(qiáng)方法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，此時(shí)應(yīng)考慮的開孔不是d1，而是d2。如圖3所示，殼體的補(bǔ)強(qiáng)面積還應(yīng)計(jì)入d1至d2之間的殼體金屬有效截面積。由于此結(jié)構(gòu)中因開孔d1增加的局部薄膜應(yīng)力已在d2范圍內(nèi)衰減，而d1至d2之間的殼體由于內(nèi)外壓力平衡，由介質(zhì)的壓力P產(chǎn)生的總體薄膜應(yīng)力可不計(jì)。因此按照本計(jì)算方法得到的結(jié)果應(yīng)該是偏安全的。計(jì)算開孔直徑為：dop=d2+2Ct（1）殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積為：A=（dop+2δt）δ（2）殼體有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積為：A1=（B-dop）（δe-δ）+（dop-d1-2C2）（δe-δ-C2）（3）接管有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積為：A2=2h1（δet-δt）fr（4）焊縫金屬面積為：A3=K2（5）若A1＋A2＋A3≥A，則開孔不需另加補(bǔ)強(qiáng)面積；否則，開孔需要另加補(bǔ)強(qiáng)面積。式中，除d1和d2外，其余符號(hào)及其計(jì)算方法與GB/T150.3—2011［5］相同。

4結(jié)束語

對(duì)于因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，需要在壓力容器殼體上開圓孔，再焊接比圓孔尺寸大得多的圓管的情況，可以采用上述方法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，但是，對(duì)于這類特殊結(jié)構(gòu)的開孔，在設(shè)計(jì)、制造時(shí)還需要注意：所焊圓管應(yīng)與實(shí)際開孔d1保持同心；所焊圓管的內(nèi)徑d2應(yīng)不小于2d1；接管與殼體之間的焊接接頭應(yīng)全焊透；殼體上實(shí)際開孔的孔邊應(yīng)切割整齊，孔口應(yīng)光滑。上述計(jì)算方法已經(jīng)在多個(gè)規(guī)格的數(shù)十臺(tái)制冷裝置用壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)采用，有的容器使用年限已達(dá)近十年，使用情況普遍良好。

作者:熊從貴 陳送送 宋玲麗 何靜 單位:臺(tái)州龍江化工機(jī)械科技有限公司