關(guān)于壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的討論

關(guān)于壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的討論

a、打開(kāi)和削弱所需的開(kāi)口補(bǔ)償，mm2。B——補(bǔ)強(qiáng)有效寬度,mmDi——?dú)んw內(nèi)直徑,mmE1——ASME規(guī)范中的焊接接頭系數(shù),開(kāi)孔不位于焊接接頭或雖位于焊接接頭上但不位于縱向焊接接頭上,取E1=1.00,開(kāi)孔位于縱向焊接接頭上,E1為該縱向焊接接頭的實(shí)際取值fr——強(qiáng)度削弱系數(shù),等于設(shè)計(jì)溫度下接管材料與殼體材料許用應(yīng)力之比值,當(dāng)fr>1.0時(shí),取fr=1.0tr——ASME規(guī)范中的殼體開(kāi)孔處的計(jì)算厚度,mm,無(wú)論圓筒體的焊接接頭系數(shù)取值如何,計(jì)算取焊接接頭系數(shù)E=1.00tn——ASME規(guī)范中的殼體開(kāi)孔處的名義厚度,mmδ——?dú)んw開(kāi)孔處的計(jì)算厚度,mmδe——?dú)んw開(kāi)孔處的有效厚度,mmδet——接管有效厚度,mmδn——?dú)んw開(kāi)孔處的名義厚度,mmΦ——焊接接頭系數(shù)d——?dú)んw開(kāi)孔直徑,mm1等面積現(xiàn)行分析為滿足工藝操作、容器制造、安裝、檢驗(yàn)及維修等要求,在壓力容器上開(kāi)孔是不可避免的。容器上開(kāi)孔后,不僅整體強(qiáng)度受到削弱,而且還因開(kāi)孔引起的應(yīng)力集中造成開(kāi)孔邊緣局部的高應(yīng)力,因此壓力容器設(shè)計(jì)中必須充分考慮開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)問(wèn)題。開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算,GB150及ASME第Ⅷ卷第一分冊(cè)均采用“等面積補(bǔ)強(qiáng)”法,該法以受拉伸的開(kāi)孔大平板作為計(jì)算模型,即僅考慮容器殼體中存在的拉伸薄膜應(yīng)力,且以補(bǔ)強(qiáng)殼體的一次總體平均薄膜應(yīng)力作為補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則。當(dāng)開(kāi)孔較小時(shí),開(kāi)孔邊緣的局部應(yīng)力以薄膜性質(zhì)的應(yīng)力為主,等面積法是殼體截面因開(kāi)孔而被削弱,需有補(bǔ)強(qiáng)材料予以等面積補(bǔ)強(qiáng),其實(shí)質(zhì)是殼體截面因開(kāi)孔喪失的強(qiáng)度,即被削弱的“強(qiáng)度面積”A乘以殼體材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力[σ]t,即A[σ]t,由補(bǔ)強(qiáng)材料予以補(bǔ)償。假定開(kāi)孔可用作補(bǔ)強(qiáng)的總截面積為A′,則應(yīng)有:A′[σ]t≥A[σ]t(1)即A′≥A下面著重討論GB150與ASME第Ⅷ卷第一分冊(cè)(以下簡(jiǎn)稱ASME規(guī)范)在開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算中的一些不同之處,同時(shí)假定研究的開(kāi)孔中心線與相鄰開(kāi)孔中心線距離大于兩孔平均直徑的2倍。2適用的開(kāi)孔范圍2.1開(kāi)孔最大直徑u對(duì)于在圓筒體上開(kāi)孔:(1)當(dāng)圓筒內(nèi)徑Di≤60in.(1500mm)時(shí)開(kāi)孔最大直徑d≤1/2Di,且d≤20in.(500mm);(2)當(dāng)圓筒內(nèi)徑Di>60in.(1500mm)時(shí)開(kāi)孔最大直徑d≤1/3Di,且d≤40in.(1000mm)。2.2過(guò)大的開(kāi)孔范圍同樣在圓筒體上開(kāi)孔:(1)當(dāng)圓筒內(nèi)徑Di≤1500mm時(shí)開(kāi)孔最大直徑d≤1/2Di,且d≤520mm;(2)當(dāng)圓筒內(nèi)徑Di>1500mm時(shí)開(kāi)孔最大直徑d≤1/3Di,且d≤1000mm。從上述定義可以看出,內(nèi)徑Di≤1500mm時(shí)開(kāi)孔最大直徑的上限(d≤520mm)與Di>1500mm時(shí)開(kāi)孔最大直徑的下限(d>500mm)不一致,由此而產(chǎn)生一些矛盾。在涉外設(shè)備設(shè)計(jì)中,常常遇到設(shè)備的內(nèi)徑及開(kāi)孔的直徑都不是公稱尺寸,例如在內(nèi)徑Di=1520mm的圓筒上開(kāi)一直徑d=510mm孔,開(kāi)孔已超出GB150規(guī)定的范圍,但如在內(nèi)徑Di=1500mm開(kāi)同樣直徑的孔,由于開(kāi)孔直徑d≤520mm,則開(kāi)孔反而未超出GB150規(guī)定的范圍,這與圓筒內(nèi)徑越大,所允許的開(kāi)孔直徑應(yīng)較大的原則相悖。建議GB150將適用的開(kāi)孔范圍中對(duì)圓筒上開(kāi)孔規(guī)定作如下修改:(1)當(dāng)圓筒內(nèi)徑Di≤1500mm時(shí)開(kāi)孔最大直徑d≤1/2Di,且d≤500mm;(2)當(dāng)圓筒內(nèi)徑Di>500mm時(shí)開(kāi)孔最大直徑d≤1/3Di,且d≤1000mm。3容器開(kāi)孔準(zhǔn)確性分析這里仍以在內(nèi)徑為Di的圓筒體上開(kāi)一孔(直徑d)為例進(jìn)行說(shuō)明。如果開(kāi)孔位于無(wú)縫殼體或焊接接頭系數(shù)為1的容器上,其開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算采用GB150及ASME第Ⅷ卷第一分冊(cè)計(jì)算的結(jié)果近似(如果忽略材料許用應(yīng)力的差異),但如果容器的焊接接頭系數(shù)小于1,則兩者的計(jì)算結(jié)果差異較大。下面討論在焊接接頭系數(shù)小于1的容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)問(wèn)題。3.1開(kāi)口所需的填充區(qū)(1)asme規(guī)范規(guī)定了打開(kāi)孔所需的補(bǔ)償面A=dtr+2tntr(1-fr)(2)(2)焊接接頭系數(shù)的取值按GB150—1998之8.5.1.1條:A=dδ+2δδet(1-fr)(3)δ=PDi2[σ]tΦ?P(4)δ=ΡDi2[σ]tΦ-Ρ(4)顯而易見(jiàn),用式(3)計(jì)算得到的A近似為以式(2)計(jì)算得到的A的1/Φ倍(如果忽略材料許用應(yīng)力的差異)。據(jù)前所述殼體截面因開(kāi)孔喪失的強(qiáng)度,即被削弱的“強(qiáng)度面積”A[σ]t,如開(kāi)孔不位于焊接接頭或雖位于焊接接頭上但不位于縱向焊接接頭上,無(wú)論圓筒體的焊接接頭系數(shù)取值如何,式(4)中Φ=1.00,這不難理解。若開(kāi)孔位于縱向焊接接頭上,計(jì)算開(kāi)孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積式(3),似乎開(kāi)孔削弱面積A應(yīng)考慮焊接接頭系數(shù)的影響,但通過(guò)式(1),開(kāi)孔被削弱的“強(qiáng)度面積”A[σ]t中的強(qiáng)度[σ]t應(yīng)以[σ]tΦ替代,由于式(1)中等式右邊為[σ]t,故A應(yīng)為AΦ,代入式(3)中,所以無(wú)論圓筒體的焊接接頭系數(shù)取值如何,在進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí),筒體厚度計(jì)算公式(4)中仍應(yīng)取Φ=1.00。3.2有效修復(fù)層在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi),開(kāi)孔可用作補(bǔ)強(qiáng)的總截面積中,GB150與ASME規(guī)范僅在A1的計(jì)算中有區(qū)別。(1)tn選取A1=d(E1t-tr)-2tn(E1t-tr)(1-fr)(5)A1=2(tn+t)(E1t-tr)-2tn(E1t-tr)(1-fr)(6)A1取式(5)與(6)之較大值。(2)開(kāi)孔現(xiàn)行補(bǔ)模后的加強(qiáng)計(jì)算A1=(B-d)(δe-δ)-2δet(δe-δ)(1-fr)(7)B取2d與d+2δn+2δnt之較大值。不難看出,用式(7)計(jì)算得到的A1近似為以式(5)或(6)計(jì)算得到的A1的1/Φ倍(如果忽略材料許用應(yīng)力的差異)。也許正是由于以式(3)、式(7)計(jì)算得到的A、A1都近似為實(shí)際值的1/Φ倍,兩相抵銷,整個(gè)補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果仍然是正確的。這種說(shuō)法不無(wú)道理。但如果補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果需要另加補(bǔ)強(qiáng)圈時(shí),由于A′=A1+A2+A3+A4,那么由此計(jì)算得到所需補(bǔ)強(qiáng)圈面積A4為實(shí)際值的1/Φ倍,即相當(dāng)于補(bǔ)強(qiáng)圈拼焊而成,且其焊接接頭系數(shù)與筒體焊接接頭系數(shù)一致。補(bǔ)強(qiáng)圈一般無(wú)焊縫,特殊情況下補(bǔ)強(qiáng)圈可拼焊而成,但放置方位不允許與開(kāi)孔處筒體縱向焊接接頭一致,故在考慮的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算截面上,補(bǔ)強(qiáng)圈厚度是不需考慮焊接接頭系數(shù)的。通過(guò)上述分析,GB150的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果偏于保守。有些設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí),不管開(kāi)孔是否位于筒體縱向焊接接頭上,開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算用的焊接接頭系數(shù)都取與筒體焊接接頭系數(shù)等同,當(dāng)Φ<1.0時(shí),這樣的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果是不合適的。4開(kāi)孔適用范圍的擴(kuò)(1)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算,GB150與ASME規(guī)范均采用“等面積補(bǔ)強(qiáng)”法;(2)GB150與ASME規(guī)范適用的開(kāi)孔范圍有所不同,GB150適用的開(kāi)孔范圍定義中,內(nèi)徑Di≤1500mm時(shí)開(kāi)孔最大直徑的上限(