基于压力-面积应力计算的开孔补强方法
压力容器的开孔与补强
压力容器的开孔与补强压力容器是一种用于储存和运输高压气体、液体或气体液体混合物的装置。
由于容器内部承受着巨大的压力，因此对于压力容器的结构设计和制造质量的要求非常高，尤其是它的壁厚和容积大小等参数必须经过精密计算和实验验证。
然而，即使设计和制造工艺都非常优秀，压力容器在使用过程中，也一定会出现开孔或由于压力过高而造成形变或者破裂的情况。
为了避免这种情况的发生，我们可以采用开孔和补强两种方法进行预防和解决。
开孔是一种常见的预防压力容器事故的方法。
通过在容器的垂直和水平方向上开孔，可以使容器内部受到更好的冷却和通风，从而减少容器内部压力的累积。
另一方面，开孔的位置也可根据容器内部压力变化而进行调整，使事故的风险降到最低。
此外，设定开孔的位置和数量还可以为维护和保养提供更大的便利。
例如在容器的底部开孔，可以更轻松地清除容器内部积存的物质。
尽管开孔是一种有效的预防措施，但在一些情况下，由于开孔会改变容器的整体结构，从而降低容器的承载能力。
这时，可以采用补强的方法来保证容器的安全。
补强的方法主要是在容器受力较大的地方加装加强筋或者钢板等材料来提高容器的强度和承载能力。
这种方法的优点是可以增加整个容器的稳定性和韧性，从而避免容器内部压力过高而造成的泄漏和破裂等意外事件的发生。
需要注意的是，在进行压力容器的开孔和补强的时候，我们必须严格遵守国家标准，以确保容器的质量和安全。
另外，在进行相关的维修和改装时必须由具备相关资质、资历的专业人员进行操作，这样可以有效地避免其他安全隐患的发生。
最后，压力容器在工业生产和人们的日常生活中发挥着重要的作用，但与之相关的安全问题也时刻需要引起人们的重视。
因此，在日常生活和工作中，我们应该尽可能地避免对压力容器的摩擦和碰撞，同时，也应该注意对其的定期检查和维修，以避免意外事件的发生。
开孔补强等面积法与压力面积法的区别！
开孔补强等面积法与压力面积法的区别！压力面积法是西德AD规范中采用的开孔补强方法，其适用范围可较等面积法大。
当开孔率超出等面积法的适用范围时，HG标准推荐采用该法进行开孔补强计算。
其实，压力面积法与等面积法都是基于静力强度理论，且以壳体截面的承载能力与内压力相平衡为准则的计算方法。
两种计算方法虽然形式不同，但实质是完全相同的。
但是，两者关于壳体的有效补强宽度范围的取法是不同的，压力容器设计人员在进行开孔补强计算的时候也时常会遇到等面积法无法计算的情况，此时，一般都改为分析法进行计算，如若分析法也不适用，则只能用压力面积法进行校核，但时常听到的一种声音就是压力面积法计算不靠谱，在我看来，说的不靠谱确实也是在大多数情况下，压力面积法计算较为激进，不够保守，很有可能会造成补强面积的不够，但在少数情况下，压力面积法计算的可能比等面积法更为保守，此时用压力面积法计算的结果在补强上是靠谱的，其实只需要理解等面积法和压力面积法有效补强范围的规定即可，见下：等面积法：对壳体有效补强面积B取为2倍的开孔直径d，即B=2d，这是以大平板开孔的应力集中衰减范围考虑和确定的。
压力面积法：对壳体有效补强面积取为B=（Dt）^0.5，其中D 为壳体内径，t为壳体厚度，是以结构开孔壳体处结构不连续造成的局部环向薄膜应力的衰减范围考虑和确定的。
由上不难看出，等面积法的壳体有效补强宽度只与开孔直径有关，而压力面积法则是与壳体直径及厚度有关。
因而对于较大直径壳体上较小的开孔接管，压力面积法的有效补强宽度可比等面积法的大得多，即有效补强面积A1部分偏大，会造成所需补强面积较少的情况，此时如若等面积法补强计算不通过的情况下，采用压力面积法则可能通过，这种情况下压力面积法的计算结果就过于激进且不可靠了。
相反，对于较小直径壳体上较大的开孔接管，压力面积法的壳体有效补强宽度可能比等面积法的还小，这时候压力面积法的补强计算就比等面积法的偏保守了，因而对于这种壳体上开孔接管的补强计算，如若采用等面积法无法计算的时候，采用压力面积法是完全可靠且更保守的。
压力容器大开孔补强计算——压力面积法和有限元应力分析法
ｓ ｒ ｓ ｎ ｌ ｉ ｔ ｏｄ ｉ ｏ ｅ ｓ ｆ ｎｄ ｍａ ｕ ｅ ｔ ａ ｅ ｓ ｒ ｒ ａ ｍｅ ｈｏ ｔ ｅ ｓ ａ ａ ｙｓｓ ｍｅ ｈ ｓ ｍ ｒ ａ ｅ ａ ｔ ｒ ｈ ｎ ｐｒ ｓ ｕ ｅ ａ ｅ ｔ ｄ．
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关 键 词 ： 压力容器 ；大开孔补强 ；压力面积法 ；有 限元应力 １． ９ Ｂ １５ １
文 献标 志码 ： Ｂ
Ｒ ｅｎ ｏ ｃ ｍ ｅ ｓｇ ｆ Ｌａ ｇ ｐ ｎ ｎ ｓ ｉ ｅ ｓ ｒ ｓ ｅ ｉ ｆ ｒ ｅ ｎｔＤｅ ｉ ｎ ｏ ｒ ｅ Ｏ ｅ ｉ ｇ ｎ Ｐｒ ｓ ｕ ｅ Ｖｅ ｓ ｌ
的薄膜 应力 ， 即局 部 薄 膜 应力 。此 应 力 引起 的失 效
称 为静 力强 度失 效 。 （ ） 曲应 力 容器 开孔 以后 ， ２弯 一般 总需 设置 接
管 或人 孔 ， 即有 另 一个 壳 体 与 之 相 贯 。相 贯 的 ２个 壳 体在 压力 载荷 作用 下 ， 自产 生 的径 向膨胀 （ 径 各 直
压 力 容 器 大 开 孔 补 强计 算
一
压力容器圆筒开孔补强计算方法研究.docx
压力容器圆筒开孔补强计算方法研究应力集中危害问题要通过正确的方式强化管理，实现补强计算分析，进而充分的保障压力容器的安全性，提升整体的经济性。
通过开孔补强计算方式，可以有效的解决此种问题。
1.压力容器圆筒大开孔补强计算方法应用价值多数工程具有复杂化、大型化以及工艺特殊的特征，在施工中一些压力容器要通过较大的开孔接管进行处理，此种方式会转变原有容器的应力状态，消弱压力容器的强度。
针对与柱壳容器，开孔之后会导致其受到接管弹性约束的影响，导致容器主管的开孔附近受到薄膜应力状态轴向力以及环向力的影响，出现弯矩以及扭矩等问题。
为了提升整体稳定性，在实践中针对一些大开孔设计y要通过科学合理的方式分析受力状况，进而保障施工安全性，提升整体质量。
2.压力容器圆筒大开孔补强计算方法2.1压力面积法通过欧盟标准压力面积法，综合我国实际状况，在被开孔削弱面积补在孔的周围，给出其需药补强的具体面积，不计孔周边的应力集中问题。
开孔补强设计主要的要求就是基于结构进行静力强度分析，基于一次应力强度出发，分析开孔边缘二次应力安定性。
综合其安全系数以及实践经验系统分析。
此种方式对于开孔边缘的应力强度进行分析是否满足一次总体以及局部中对于薄膜应力静力强度要求。
通过对补强范围材料平均薄膜应力控制的方式达到进行应力强度的控制与管理，要保障其在一倍的许用应力。
综合压力在壳体受压面积产生的荷载以及有效补强范围中的课题、接管。
补强材料面积承载能力平衡的相关静力平衡条件则可以确定其进行接管补强计算的方式。
在壳体以及接管、补强材料相同的时候要根据以下公式进行补强计算公式为：P表示的是设计压力。
2.2分析法分析法就是根据弹性薄壳理论获得的应力分析方式。
主要就是在内压作用之下其具有径向接管圆筒开孔的补强设计分析。
分析法设计准则与压力面积法之间具有一定的差别。
此种方式的模型假定接管以及壳体属于连续性的整体型结构，其计算模型如下图所示。
在应用分析法的时候，要保障焊接接头的质量，保障其整体焊透性。
压力管道设备开孔补强计算方法探讨
[1]周冬雨，压力管道设备开孔补强计算方法研究.2018.
[2]郎图婷，浅谈压力管道设备开孑L补强计算方法探讨.2018.
总之，开孔补强的计算方法大体分为两种，一种是按照压力容器开孔补强方法，另一种是按照压力管道设备有关标准的要求进行计算或补强核算，这两种计算方法的理论基础均为等面积补强。用等面积补强法计算或者核算开孔补强时会有所不同，具体采用哪种方法，需在满足相应标准的前提下，根据环境、材料及工程具体情况等因素来选择，使工程设计更加合理准确。大开孔补强应力分析法是基于弹性薄壳理论的计算方法,很好地体现危险截面的应力集中情况，为压力管道大开孔补强设计提供了一种安全快捷的计算方法。
2.许用应力取值方法不同。采用前者方法计算时的许用应力可以在文献中直接查取，而采用后者计算方法时则通过查取材料的屈服强度后乘上设计系数得出。这两种方法会使同种材料许用应力的取值有不小的差异，导致简体的计算壁厚也相差不少。另外，如果在文献[1]中查取材料的许用应力，那么文献中没有列出的材料就无法查到相应的许用应力值。而采用后者计算方法，只要知道材料的屈服强度和设计系数就可以计算出许用应力值。适用范围广泛。
压力管道设备开孔补强计算方法探讨
摘要：随着工艺要求的提高，管线开孔在没有标准管件可用的情况下，大口径管道上直接开孔焊接支管是管道设计时经常会遇到的问题，由于开孔面积较大，需要对开孔处进行详细核算以确定是否需要补强。若需要补强，要根据具体情况、相关标准规范来进行计算和判断，找出最适合的补强方式，并根据计算补强的具体参数要求进行开孔补强，核算结果的准确与否及开孔补强是否足够将影响管道的安全平衡运行。
2.压力面积法。压力面积法是G20582-2011《钢制化工容器强度计算规定》介绍的大开孔计算方法，来源于西德AD规范B9补强设计的规定，这是一种近似的分析方法，基本上是一种经验的极限分析方法。它根据试验应变测量，对具有各种尺寸的开孔与带有齐平径向接管的圆筒形容器上做了一系列压力试验，以壳体开孔接管处产生0.2%的应变所需的压力导出削弱系数，并绘制成曲线。在确定补强设计时，需将削弱系数值代入壳体厚度公式中进行计算，并将开孔率限制在0.8。该法在本质上仍与等面积法相同,对于开孔边缘应力只考虑满足一次总体及局部薄膜应力的静力要求。压力面积法的基本出发点是，对于内压壳体，是以压力载荷的面积和壳体、接管、补强件的承载截面积之间相互平衡为基础的，即由压力载荷的面积对压力乘积所表示的载荷和壳体、接管、补强件承载横截面积对材料许用应力的乘积之间相互平衡，在工程实践中往往应用于低压容器开孔补强的计算中，该方法在计算高压管道大开孔补强时，其结果往往是偏冒进的，随着新版G20582的发布，其方法的适用范围受到更加严格的限制，因此压力面积法不适合压力管道开孔补强计算。
压力容器开孔补强方法
压力容器开孔补强方法作者：马军伟来源：《中国新技术新产品》2015年第11期摘要：在工程应用中经常需要为满足各种工艺和结构上的要求在压力容器上开孔和安装接管。
容器开孔以后，开孔的地方会形成较大应力，这时需要进行补强，本文列举了一系列容器开孔方法，如等面积法、分析法以及压力面积法等。
关键词：大开孔；补强；压力容器中图分类号：TQ050 文献标识码：A1 前言随着石油化工技术以及海洋和空间等技术的发展，压力容器结构也不再像传统容器结构那样简单。
工艺以及结构需求的不同，使得容器的许多受压元件均要开孔接管，有时还需设计直径大于800mm的大开孔。
容器通过进行开孔，可以减弱其整体强度，使开孔边缘应力过于集中。
按照JB 4732规范提到的应力分类，容器开孔后的应力有以下几种：相贯线壳体变形造成的应力及峰值应力等等。
在容器设计制造中，国内对容器接管开孔补强一般采用以下几种方法：补强圈补强及厚壁接管补强等。
当补强圈补强与壳体厚度相等时，补强圈由于面积过大从而不能集中补强，而且壳体本身和壳体上的其它部件通常也会限制补强圈面积，因此补强圈补强一般适用于容器应力水平低，材料塑韧性好，且容器的工作条件比较优良的场合。
当采用厚壁接管补强时，由于接管与筒体的壁厚相差较大，增大了现场焊接难度和制造成本，若再出现接管力和接管弯矩作用时，接管的设计壁厚将急剧增加，将无法实现接管壁厚补强，因此接管壁厚补强一般适用于像仪表口等小直径接管的补强；而整体锻件补强由于受到锻件制造工艺的约束，目前一般用于封头人孔接管的补强，其结构尺寸大（DN500），成本高，制造难度大，周期长。
以上几种补强对小直径接管来说，优势非常明显。
但对于容器直径较大的（>800mm）开孔接管补强，会因为它的根部峰值应力过大，使得装置运行后，造成容器衬里脱落，甚至可能会造成装置停车。
从这个角度来看，传统的接管补强方法已经不能满足大型化装置。
针对以上情况本文介绍几种常用的压力容器大开孔计算方法。
浅谈压力容器开孔补强的方法.
浅谈压力容器开孔补强的方法浅谈压力容器开孔补强的方法2011-04-17 09:23 来源：未知浏览次数：关键字：方法,补强,开孔,压力容器,浅谈,浅谈压力容器开孔补强的方法李文英摘要：本文主要对压力容器开孔后进行补强的方法进行探讨，主要针对等面积补强；压力容器大开孔补强方法；平盖开孔补强；高压蒸汽过热器联箱开孔补强这几种方法进行了比较。
关键词：压力容器开孔补强方法随着化工行业的发展，压力容器在化工厂中越来越普遍，其安全性也越来越受到重视。
这样在压力容器设计中一些较易出现问题的地方，更引起人们的注意了，如压力容器封头上的开孔及补强是一个非常爱出问题的地方，一旦计算有误就会造成容器的破坏，甚至引起工作人员的伤害，或者造成经济上的浪费。
下面就对压力容器的开孔补强进行分析。
1.等面积补强化工容器常用的开孔补强方法是等面积补强法，其基础理论是在有效补强范围内所加补强材料的截面积必须大于或等于因为开孔而失去的截面积。
其实质在于补强壳体的平均强度，即维持容器整体的屈服强度，理论模型是无限大平板开小孔，不至于因开边缘附加弯曲应力引起大的误差，故对小直径开孔安全可靠，其计算方法如下：满足下列条件不需补强：A1+A2+A3≥A不满足这一条件则需要补强，补强金属的面积为：AO= A一(A1+A2+A3 )式中：A---壳体因开孔而削弱的截面积；AO----补强金属的面积；A1---筒体或封头上超过计算厚度S所多余的金属截面积；A2---接管上超过强度计算厚度所多余的金属截面积；A3---补强区内焊缝的截面积。
其适用范围是局部补强的材料基本上应与壳体相同，其强度不应小于壳壁材料强度的75％。
适用于筒体的最大开孔直径dI≤1000毫米，而封头的开孔最大直径是dI≤1／2DJ。
d i—开孔最大直径；DJ—封头内径。
这类计算方法只能在一般情况下应用，在特殊情况下则不适用，例如容器大开孔时补强，平盖的开孔补强以及高压蒸汽过热器的开孔补强，下面将分别讨论。
压力容器卷筒大开孔补强计算方法
压力容器卷筒大开孔补强计算方法摘要：压力容器是能够承载一定压力的气体或液体容器，大开孔的压力容器为保证其抗压能力，需在开孔接管位置进行补强。
本文主要对压力容器大开孔补强的相关计算方法进行了分析，并对其进行比较，以找出最适合的补强方法。
关键词：压力容器；大开孔补强；计算方法随着工程技术的发展，对压力容器的要求也越来越高，压力容器常需要进行大的开孔接管工序，而在压力容器上进行开孔操作就会破坏原来的应力状态，使压力容器内的力平衡遭到破坏，因而为了恢复容器内应力平衡状态，需要对容器开孔位置进行补强，而对于补强的计算主要有以下几种方法。
1.压力面积法压力面积法是通过使圆筒、补强原件和接管有效截面产生的承载力与有效补强范围内产生的载荷相等来实现补强的一种计算方法，这种方法在计算时主要考虑补强材料薄膜应力即可，并没有涉及到容器开孔孔边弯曲强度问题，这一方法的计算方式虽然和以往等面积方法有所不同，但原理是一样的。
其计算通式是（Ap/Aσ+1/2）p≤[σ]，其中Ap是指压力容器有效补强范围内的压力作用面积，而Aσ是指补强元件、接管等有效承载面积，p是容器圆筒的设计压力，[σ]则是指所应用的补强材料的许用应力，从上面的计算式就可以看出这一方法的计算是建立在补强截面薄膜应力计算的基础上，而不涉及孔边弯曲应力，因而在实际应用中，常会因实际应力与计算结果相差太大而失去补强的目的，因此这种方法在实际工程中应用较少。
2.ASME计算法鉴于压力面积法在弯矩问题上的缺点，ASME方法就在压力面积法上增加了弯矩作用计算，在理论上就是在计算薄膜应力的同时增加弯矩应力计算，因而其计算通式是，Sb=，M=（/6+RRne）p，其中As是指开孔区域内的横截面面积，而I是指As面积中所对应的中性轴惯性矩，a是指中性轴和容器壁表面之间的距离，Rm是指课题平均的半径长度，Rnm是指接管颈平均的半径长度，e是指As面积中性轴和壳壁中面处之间的距离，由上面的计算式可以看出该计算方法对薄膜应力的计算和压力面积方法相同，并对补强范围进行了调整，然后在这一基础上增加了弯矩计算，弯矩应力主要包括两个部分，一是在实施开孔操作后在孔边缘产生的轴向拉力，二是开空前在开孔区域内压位置上差异不同所带来的弯矩，这一种计算方法较压力面积法更为进步，考虑了开孔位置边缘弯矩应力问题。
基于压力_面积应力计算的开孔补强方法
基于压力-面积应力计算的开孔补强方法沈 鋆*(惠生工程(中国)有限公司)摘 要 介绍了基于压力-面积应力计算的开孔补强方法(简称压力-面积应力法)的基本原理、适用范围、计算步骤,并基于该方法编制了工程应用软件。
同时使用该软件,进行了几种工程计算方法的对比,进一步说明了该方法与传统方法的区别。
关键词 压力容器 开孔补强 压力-面积应力计算中图分类号 TQ051 3 文献标识码 A 文章编号 0254 6094(2011)02 0186 04开孔补强是压力容器设计中的重要组成部分,关系到设备的安全运行。
目前工程中常用的计算方法有很多。
等面积补强法[1,2]的理论基础是无限大平板上小孔周边的应力分布关系[3]。
压力容器开孔的实际情况与这种应力分布关系存在差异,所以文献[2]中对直径不超过1500mm的圆筒,开孔率限制在1/2;超过1500mm的圆筒,开孔率限制在1/3。
等面积补强法有效范围的取值仅与开孔直径d有关,所以对d/D i(壳体内直径)较小的开孔,该方法安全、可靠且偏保守,对d/D i较大的开孔,该方法偏冒进。
压力面积法[4,5]在本质上与等面积法是一致的,其开孔率限制在0.8。
该方法补强有效范围的取值仅与边缘应力衰减长度有关,对d/D i较小的开孔,该法偏冒进;对d/D i较大的开孔,该法偏保守;对大开孔,该法一般用于低压容器。
上述两种方法都认为补强范围内应力是均匀分布的,事实上孔边应力具有局部性和衰减性,并非均匀分布。
1 压力-面积应力法简介压力-面积应力法既不同于等面积法,又不同于压力面积法。
该方法在补强有效范围的取值上考虑较全面,既考虑了开孔大小的影响,又考虑了边缘应力衰减长度的影响。
在此范围内,计算压力对各承压面积所引起的作用力,并进一步计算所引起的最大局部一次薄膜应力是否满足补强要求的评定条件[6],是一种基于应力分析的计算方法。
由理论基础可知,对一般开孔而言,其设计结果相比两种传统方法更为合理。
压力容器常用开孔补强方法对比分析
压力容器常用开孔补强方法对比分析压力容器一旦发生事故，危害很大，因此压力容器的开孔补强设计显得尤为重要。
对于压力容器的开孔补强计算方法一般有两种：一是等面积法，二是分析法。
本文对这两种方法作以比较和分析。
在石油化工行业中，压力容器上的开孔是不可避免的，如要开进料口、出料口、人孔等。
容器开孔后，一方面由于器壁承受载荷截面被削弱，引起局部应力的增加和容器承载能力的减弱；另一方面，器壁开孔和接管也破坏了原有结构的连续性，在工艺操作条件下，接管处将产生较大的弯曲应力，开孔边缘会出现很高的应力集中，形成了压力容器的薄弱环节。
因此，设计上必须对开孔采取有效的补强措施，使被削弱的部分得以补偿。
开孔补强基本原理 2.1.等面积法该法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的，即仅考虑容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均应力作为补强原则。
当开孔较小时，开孔边缘的局部应力是以薄膜性质的应力为主的，但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力。
等面积法的开孔补强结构所形成的应力集中在某一区域内，当离孔边缘的距离越大，越接近薄膜应力。
它的特点是：角焊缝，具有应力突变，易产生应力集中点，受力状态不好。
2.2.分析法这种补强方法是以壳体极限分析为基础的，相对等面积法合理得多，但须受开孔壳体和补强接管的尺寸限制。
这种方法优点是：克服等面积法的缺点，在转角处采用圆滑过渡，减少结构形状的突变，减小应力集中程度。
将补强面积集中在应力最高点，充分利用补强面积，使补强更经济、合理。
对比分析 3.1.等面积法等面积法顾名思义：壳体截面因开孔被削弱的承受强度的面积，须有补强材料予以等面积补偿，其实质是壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的强度面积A乘以壳体材料在设计温度下的许用应力[]t，即A[]t，应由补强材料予以补偿，当补强材料与壳体材料相同时，则补强面积就等于削弱的面积，故称等面积法。
压力容器开孔补强方法
等面 积设计法 的基本公 式Ａ ４ ＞Ａ ￣ — Ａ ｏ 。 Ａ 为所需 补强 面积
Ａ＝ ｄ ｏ ｐ ８＋ ２ ８ ８ （１ 一 ‘）
一
式 中 ：对 于安 放 式 接 管取 ｆ ｒ ＝ １ ． ０ ；８ 计算厚 度 ，ｍ ｍ， ８ —接管有 效厚 度 ；
Ａ。 ＝Ａ１ ＋Ａ２＋ Ａ３
关键 词 ：大开孔 ；补 强 ；压 力容 器 中 图分 类号 ：Ｔ Ｑ０ ５ ０ １ 前 言 文献标 识 码 ：Ａ
ｄ ｏ ｐ ≤ Ｄｉ ／ ３， ｄ ｏ 。 ≤１ ０ ０ ０ｍｍ ；
随着石油化工技术以及海洋和空间等 （２ ） 凸 型 封 头 直 径 最 大 值 为 技术 的发展 ，压 力容 器 结构 也不 再像 传统 ｄ ０ 。 ≤Ｄｉ ／ ２； 容器 结 构那 样简 单 。工 艺 以及结 构需 求 的 （ ３）锥 形 封 头 开 孔 直 径 最 大 值 为
Ａ Ｐ ＿ ． 一 补 强面 积 ，ｍ ｍ。
图 １压 力 面 积 法
由于受到锻件制造工艺的约束 ，目 前一般
用 于封 头人 孔 接管 的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 强 ，其结 构 尺寸 大 （ Ｄ Ｎ ５ ０ ０），成本 高 ，制 造 难度 大 ，周 期
长 。 以上 几 种 补 强 对 小 直 径 接 管 来 说 ， 优 势 非 常 明 显 。但 对 于 容 器 直径 较 大 的
不 同 ，使得 容器 的许 多 受压 元件 均要 开孔 Ｄ ｉ ／ ３ ，Ｄ ｉ 为开 孑 Ｌ 中心 的锥 壳 内径 。 接管 ，有 时还需 设计 直 径 大于 ８ ０ ０ ｍｍ 的 大 ２ ． １ ． ２ 开孔 补强 的面积 计算
开孔 。容器 通过 进行 开 孔 ，可 以减弱 其 整 体 强度 ，使 开孔 边缘 应 力过 于集 中。按 照 Ｊ Ｂ ４ ７ ３ ２ 规 范提 到 的应 力分 类 ，容器 开孔 后 的应 力 有 以下几 种 ：相 贯线 壳体 变形 造 成 的应 力及 峰值 应力 等等 。 在 容 器 设 计 制 造 中 ， 国 内对 容 器 接 管 开孔 补强 一般 采 用 以下几 种方 法 ：补 强 圈补强 及厚 壁 接管 补强 等 。 当补 强 圈补 强 与 壳体 厚度 相 等时 ，补 强 圈 由于面积 过 大 从 而不 能集 中补强 ，而 且壳 体本 身 和壳 体 上 的其 它部 件 通常 也会 限制 补 强圈 面积 ， 因此补 强 圈补 强一 般适 用 于容器 应力 水 平 低 ，材 料 塑 韧 性好 ， 且 容 器 的工 作 条 件 比较 优 良的 场 合 。 当采 用 厚 壁 接 管 补 强 时 ，由于接 管 与筒 体 的壁厚 相差 较 大 ，增 大 了现 场焊 接难 度 和制 造成 本 ，若再 出现 接 管力 和接 管 弯矩 作用 时 ，接 管 的设 计 壁 厚 将 急剧 增 加 ，将 无 法 实 现 接 管 壁 厚 补 强 ，因此接 管 壁厚 补强 一般 适用 于像 仪 表 口等小 直径 接 管 的补强 ；而整体 锻件 补 强
压力容器大开孔补强计算——等面积法、分析法和有限元应力分析法
压力容器大开孔补强计算——等面积法、分析法和有限元应力分析法【摘要】首先对压力容器大开孔补强计算中涉及的应力特点及强度分析进行阐述，然后将目前存在的三种主要的补强计算方法的计算原理、特点等做了详细的介绍，并对三种不同的方法的优缺点进行比较总结，从而要求设计的容器更加符合安全、经济等多方面的要求，实现优化设计的目的。
【关键词】压力容器大开孔补强等面积法分析法及有限元应力分析法在设计者设计容器及压力容器的过程中通常都需要设计计算壳体的大开孔补强，GB150-2011即钢制压力容器中规定了容器壳体开孔范围，根据壳体的内径不同，分别作了明确地规定，当内径小于1500毫米时，开孔的最大直径要小于等于二分之三的内径，且不能大于520毫米；而当其内径大于1500毫米时，开孔最大直径则应当小于等于三分之二的内径，且其直径不能大于1000毫米。
本文中的容器的大开孔指的是超过以上范围的开孔。
现如今，主要是通过等面积法、分析法及有限元应力分析法三种方法计算压力容器大开孔的补强。
1 大开孔应力特点及强度分析对压力容器的壳体做开孔后，容器开孔的边缘会形成较为复杂的应力状况，以下是对会引起的三种应力的详细描述。
1.1 局部薄膜应力一般来说压力容器的壳体承受的都是一次总体薄膜应力，指的是它承受的薄膜应力是均匀的。
而对其进行开孔后，会导致其面积的减少，即该截面的承载压力的面积减少，将会破坏其原有的均匀受力的情况，对开孔的周边其变化尤为明显，其应力会明显的增加，而对远离开孔的地方，其应力则基本不受影响。
此种仅在开孔附近发生变化的应力被称为局部薄膜应力，同时若这种应力引起失效，则被称为静力强度失效。
1.2 弯曲应力当容器开孔后，一般需要有另外的一个壳体与被开孔的容器相互贯通。
即需要设置接管、人孔。
两个相连通的壳体在压力的载荷作用下的直径的增大度一般来说不同，而当对其进行接管后，为了平衡、协调其不一致的变形，壳体自身通常会产生一种被称为边界内力的平衡力。
浅谈开孔补强的等面积法和压力面积法
强 的截 面积 ：Ａ ｅ ＝ Ａ Ｉ ＋ Ａ ２ ＋ Ａ ３ 。 式 中 ：Ａ１ 壳 体 有 效 厚 度 减 去 计算 厚 度之外 的多余 面积 ，Ａ ２ 接管 有效厚 度减 去 计 算厚 度之 外 的多余 面积 ，Ａ ３ 焊缝 金属 截 面 积 ，Ａ ４ 有 效 补 强 范 围 内另 加 的 补 强 面 积 ，Ａ 为 壳体开 孔所 需补 强面积 。 等面积 补强 法是 基 于壳体 开孔 前后 局 部 截 面 的抗 拉 承载 能力 ，即拉 伸强度 不 变
的准则 。
用。
参 考文 献
【 １ 】 Ｇ Ｂ １ ５ ０ ． １ ￣ １ ５ ０ ． ４ － ２ ０ １ １ ，压力容 器 ［ ｓ 】 ．
李世 玉 ． 压力 容 器设 计 工程 师培训 教程 『 Ｍ１ ． 北京 ：新华 出版社 ，２ ０ ０ ５ ．
作 者简 介 ：李兴 敏 （ １ ９ ７ ９ 一） 女 。辽宁省 朝 阳县 人 。沈 阳化 工大 学 。过程 装备 与控 制工 程专 业 。工程 师 ，毕业 后一 直从 事压
压 力 容 器 是 盛 装 压 力 介 质 的 密 闭 容 压 力 面 积 法 与 等 面
Ａ ｐ ＇ Ｒ ｘ （ Ｒ ｎ ＋ ｔ ｎ ＋ ｈ ） ＋ Ｒ ａ ｘ ｈ ｌ ＋ Ａ ｎ ｘ ｃ
＾ｏ － ＝ ｔ ｘ（ ｔ ｎ ＋ ｈ ） ＋ ｔ ｎ ｘ ｈ １ ＋（ Ｒ ｅ — Ｒ ｎ — ｔ ： １ ） ｘ ｔ ０
范 围 内 的金 属 截 面 积 （ 包 括 壳 体 、接 管 、补 强 材 料 等 ）的 承 载 能 力 与 内压 力 载 荷 相 平 衡 为 准 则 的计 算 方法 ，计算 只涉及补强 材 料 的薄膜应 力 。
２ 补强 范 围
Ｒ ，Ｒ ｎ 开 孔壳体 的 内半径 接 臂 内半 径 ｔ ｔ ｎ 开孔 兜体 的壁 厚 ．接 管璧厚 ｈ 、ｈ １ 壳体制、 强长度 ，接昔 扑强 高度 Ｒ ｃ ，ｔ ｏ 朴强 嘲外直径 、补 强睡厚度
压力容器开孔补强分析及各种补强方法的比较
兰 Ｃ ｜ ｈ 代 化工研奔 ｅ ｎ ｍｉ ｃ ａ ｌ Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｍｅ ｄ ｉ ａ ｔ ｅ
综 述 与 专论
２ ０ １ ７ ・０ ５
压 力容器开孔补强分析及各种补强方法的比较
六叶梦元
（ 九江检安石化 工程有限公司 江 西 ３ ３ ２ ０ ０ ４）
摘 要 ： 本文将 对压 力容 器开 孔补 强的方 法进 行 阐述 ，并 就各 种开 孔补 强方 法之 间 的存 在 的优 势和 缺 点进 行 分析和 比较 ，以期 更好 地指 导
给压 力容 器如何 开孔 补 强。
关 键 词 ：压 力容 器；开 孔补 强 ；方 法比较
中 图分 类号 ：Ｔ
文献 标识码 ：Ａ
Ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｏｐ ｅ ｎ ｉ ｎ ｇ Ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｆ ｏ ｒ Ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｕ ｒ ｅ Ｖ ｅ ｓ ｓ ｅ ｌ ｓ ａ ｎ ｄ Ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｉ ｓ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｖ ａ ｒ ｉ ｏ ｕ ｓ
ｌ １
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ｌ —
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压 力强度 的下 降 ，并在 开孔 附 近区 域导 致应 力 集 中 ，大大超 出了容 器壁 承 受力 ，造 成压 力 容器 的破 坏 。 因此 ，必须 要 针 对压 力 容器 开 孔进 行补 强 ，选 择合 适 的补 强 方法 ，保证 压 力 容器 的安全 操作 。
处进 行补 强 的话 ，那 么 必须 要 将结
。
构位 置 进行 焊 透 ，特 别 要注 意 焊 接 应 力过 高和 焊 接缺 漏 ，在 接管 拐 角 处要进 行打磨 （ 见 图一 ）。
（ ３ ） 压 力 面积 法 。压 力面 积 法 是在 压 力容 器 开 孔 区域 周
浅谈压力容器的开孔补强设计
浅谈压力容器的开孔补强设计摘要：笔者通过对新版GB150.1～4-2011的宣贯学习，由于此次标准更新内容多，修订的内容宽，许多内容的修订都紧跟时代步伐，一些新思想、新理念、新技术、新材料的应用，使得新版GB150更具有鲜明的特色，同时也借鉴了ASME、EN等标准的一些先进的设计理念，可以说是融会贯通，更好的以实践为准则。
本文主要就压力容器的开孔补强设计展开探讨。
关键词：压力容器新版GB150开孔补强设计一、压力容器的开孔补强设计在压力容器壳体和平盖上，因开孔接管处几何不连续，容器强度受到削弱，接管与主壳相贯处应力集中，内压下产生较大的局部应力，再加上接管上会有各种附加载荷产生的应力、温差应力以及容器材质和制造缺陷等因素的综合作用，往往成为容器破坏的原发部位，需要对开孔接管处进行开孔补强，因此开孔补强是压力容器设计中的一项重要内容。
具体对压力容器的开孔补强设计方案主要包括以下四种：1.不另行补强GB150.3-2011中6.1.3规定壳体开孔不另行补强需满足以下条件：1.1设计压力p≤2.5MPa;1.2两相邻开孔中心的间隙应不小于两孔直径之和；对于3个或3个以上相邻开孔，任意两孔中心的间距应不小于该两孔直径之和的2.5倍；1.3接管外径小于或等于89mm;1.4接管厚度满足GB150.3-2011表6-1的要求，表中接管壁厚的腐蚀裕量为1mm,需要加大腐蚀裕量时，应相应增加壁厚；1.5开孔不得位于A、B类焊接接头上；1.6钢材的标准抗拉强度下限值大于等于540 MPa时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构型式。
此外，笔者还想补充一种不另行补强的情况：当设备壳体有效厚度大于等于其计算厚度的2倍时，壳体开孔补强也是可以免除计算的。
此种方案的提出是用等面积补强法来推导出来的，大多出现在操作条件不苛刻的换热器设计当中，此时为了保证设备的刚性对壳体的最小厚度进行了要求，而此最小厚度有时会大于壳体的计算厚度一倍甚至更多。
浅谈开孔补强的等面积法和压力面积法
浅谈开孔补强的等面积法和压力面积法作者：李兴敏来源：《中国新技术新产品》2015年第12期摘要：本文笔者对压力容器开孔补强的等面积法和压力面积法的补强原理、补强范围、计算过程进行了对比和分析。
关键词：开孔补强；等面积法；压力面积法；补强原理；补强范围；理论分析中图分类号： TQ051 文献标识码：A压力容器是盛装压力介质的密闭容器，被广泛地应用于石油、化工、轻工及医药等工农业生产和人民生活的各个领域。
根据不同的生产用途，压力容器有各种不同的尺寸、容积和形状，可以承受大小不同的压力和不同的温度条件，所盛装的介质可以是不同形态的物料，或者具有特殊的化学腐蚀、易燃、易爆或毒性危害特性的介质。
压力容器的建造和使用涉及生产设备和生命安全，因此，压力容器的合理设计至关重要。
在各行业的压力容器中，由于各种不同的生产需求，压力容器必须安装接管，从而需在容器上开孔。
开孔后，除容器壳体的强度被消弱外，并且由于容器的连续性结构被破坏，在管壳连接处的附近（开孔边缘的附近区域）会产生很高的局部应力，在此区域形成应力集中现象，成为疲劳破坏和脆性裂纹的破坏源。
应力集中有局部性和自限性两个特点，应力值会随着距开孔边缘距离的增大而减弱，因此可以采用在开孔附近局部补强的方法来降低该区域的应力集中，即对各种型式的开孔应进行补强。
本文主要对等面积法和压力面积法两种方法进行分析。
我国GB150、JB4732标准采用的开孔补强计算方法是等面积法，原西德AD规范中的开孔补强方法采用的是压力面积法。
1 补强原理压力容器壳体开孔以后，孔边可引起三种应力：局部薄膜应力（属于一次应力）、弯曲应力（属于二次应力）、峰值应力。
等面积法是以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则。
对孔边缘的二次应力并未校核，是通过限制开孔形状、长短径之比和开孔范围加以考虑，使孔边的局部应力得到约束，对孔边缘的峰值应力问题未加考虑，为此不适用疲劳容器开孔补强。
压力管道开孔补强分析
压力管道开孔补强分析胡长庆陈凌(中冶赛迪公司动力设计部动力研究室XX 400013 )【摘要］针对冶金行业大管道开孔的补强，本丈通过Ansysll.O对冶金行业中常见的人字接管和斜接管进行了补强分析，详细比较了不同补强方式对接管结构应力集中的影响，为冶金行业接管补强的选择提供J'理论依据，具有较为重要的意义。
［关犍词］人字接管斜接管等而积补强控制变形补强1引言笛道结构广泛应用于冶金、动力、石油、化工及机械等行业，是许多工厂的重要组成部分。
为了满足使用需要，管道上通常需要开孔接管或连接三通，这样就造成管道的不连续, 局部存在应力集中。
对于冶金行业来说，存在大量管道与管道之间的斜接以及连通结构，这些结构形式相对比较复杂，在研究中除了考虑载荷工况、直径大小外，还需要考虑接管交角对结构强度的影响，目前对英的应力分析主要靠经验进行23：另外，冶金行业里的接管大都直径较大，管道开孔相贯处的强度削弱极为明显。
因此，研究管逍开孔的补强，是具有较为重要的实际意义的。
本文以两个工程实例〔"I为对象，对冶金行业中常见的人字接管和斜接管的开孔补强进行了详细的分析，为冶金行业接管补强的选择提供了理论依据。
2研究背景开孔补强设计是压力容器设讣⑹中的一个重要部分，开孔除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，由于结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力集中，导致该区域薄弱而易发生失效，给压力容器的安全运行带来隐患甚至出现事故。
在冶金工程的管道设计中，管道往往开孔就是大开孔，或者接管主管等直径，或者接管比主管略小，在这些情况下，接管和主管的相贯处强度削弱极为明显⑺。
图1为宝钢工程中煤气管道两种典型的接管方式示意，(a)为人字接管，(b)为斜接管。
图中(a)、(b)所示接管均为大直径接管，(a沖利用人字接管将DN2200的大管分成两段DN1200的小管，(b沖利用DN1600的30。
斜接管连接DN1800和DN1600的两段管道。
浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计
浅析压力容器常规设计规范中的开孔补强设计压力容器的开孔补强设计是压力容器设计的重要环节.目前,国内压力容器按常规规范设计开孔补强时的常用标准主要有GB150-1998《钢制压力容器》(以下简称GB150)、HG2058—1998《钢制化工容器强度计算规定》（以下简称HG20582)及ASME 锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第一册《压力容器建造规则》（以下简称ASME). GB150是强制性国家标准，是设计的最低要求，超出GB150开孔范围时，可以采用HG20582计算并遵循HG20583-1998《钢制化工容器结构设计规定》（以下简称HG20583）规定结构进行设计。
压力容器开孔补强设计的方法有很多，如等面积法、压力面积法、安定性分析法、极限分析法、PVRC法、增量塑性理论方法及实验屈服法等等。
鉴于软硬件条件的限制和从设计成本考虑,国内一般采用等面积法和压力面积法进行开孔补强设计，上面提及的设计规范就是采用这两种方法设计开孔补强的。
1。
各规范开孔补强方法的理论基础GB150和ASME规范均采用等面积法进行开孔补强设计,而HG20582中的补强计算采用的是压力面积补强法。
压力面积法与等面积法的实质是一致的,都是从确保容器受载截面的一次平均应力（平均强度)在一倍许用应力水平的计算方法,都未计及开孔边缘的局部应力和峰值应力对开孔的作用，只是两种方法对壳体有效补强范围的确定上有所不同；在补强金属面积的配置上,压力面积法比等面积法更具有密集补强的特点,对缓和接管根部应力集中的作用较大。
2各规范开孔补强方法的适用范围比较GB150和ASME规范均适用于壳体上开圆形、椭圆形（或类似形状)或长圆形孔。
GB150规定孔的短径与长径之比应不大于0。
5；而ASME规定当短径与长径之比小于0。
5时，应增强短径方向的补强.各规范对开孔直径的相对大小均有限制: GB150适用于d /D t ≤0。
5；HG20582适用于d /Dt ≤0.8;而ASME适用于d /D t ≤0.7.2。
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规 定的条 件 ， 不 再对开 孔率 进行 限制 ， 故 这对 大开 孔 而言 ， 可避 免 通 常 采用 的有 限 元 法 。同 时 该 法
适 用范 围广 ， 合 多种结 构 和载荷 ＂ 。 适 ２ 压 力 一面积应 力 法计算 步骤 笔者 以 内压 圆筒上 的单个 径 向开孔 （ １ 图 ） 为 例进行 计算 说 明 。
的 ， 开 孔率 限制 在 ０ ８ 其 ． 。该 方 法 补 强 有 效 范 围 的取值 仅 与边 缘应 力衰 减长 度有关 ， ｄ Ｄ 较 小 对 ／；
的开孔 ， 该法偏 冒进 ； ｄ Ｄ 较大 的开 孔 ， 法 偏 对 ／ 该
Ｒ
Ｊ
保守 ； 大开孔 ， 法一 般用 于低 压容 器 。 对 该 上述 两种 方法 都认 为补 强范 围 内应力 是均 匀 分布 的 ， 事实上 孔边 应力 具 有局部 性 和衰减 性 ， 并
图 １ 开 孔 补 强 示 意 图
同 于压力 面积 法 。该方 法在 补强 有效 范 围的取 值
上考 虑较 全 面 ， 考虑 了开 孔大 小的影 响 ， 既 又考 虑
压力 一面积应 力法 计算 步骤 如下 ：
ａ ．计 算 圆 筒 、 管 的 外 伸 和 内插 部 分 的 有 接 效 补强 范 围 、 和 Ｌ ；
１６ ８
化
工
机
械
２ １ 短 ０１
基 于压 力 一面 积应 力计 算 的Βιβλιοθήκη 开孔 补强 方 法 沈 蓥
（ 生工 程 （ 惠 中国 ） 限 公 司 ） 有
摘 要 介 绍 了基 于压 力 一面积 应 力 计 算 的 开 孔 补 强 方 法 （ 称 压 力 一面 积 应 力 法 ） 简 的基 本 原 理 、 用 适
压力 对各 承压 面 积所 引起 的作 用 力 ， 并进 一 步计
算所 引起 的最 大局 部一次 薄膜 应力 是否 满足 补强 要求 的评 定条 件 ， 一 种基 于应 力 分 析 的计 算 是
等 面积补 强法 ¨ 的理论 基 础 是 无 限 大 平 板
上小孔 周 边 的应 力 分 布 关 系 。压 力 容 器 开 孔
了边 缘应 力 衰 减 长 度 的影 响 。在 此 范 围 内 ， 算 计
｝ 沈
望 ， ，９ ０年 ８月 生 ， 程 师 。上 海 市 ，０ ２ ３ 男 １８ 工 ２ １０ 。
第３ ８卷
第 ２期
化
工
机
械
１７ ８
ｂ ．计 算有 效 补 强 范 围 内 圆筒 、 管 、 强 圈 接 补 以及 焊缝 等 的承 载总 面积 Ａ ； ｃ ．计算 压力 作用 下 在接 管 、 壳体 上 的作用 力
方法 。由理论 基础 可知 ， 对一 般开 孔 而言 ， 设计 其 结果 相 比两 种传 统 方 法 更 为 合理 。此外 ， 由于该
法满 足 以孔边 最大 局部一 次 薄膜应 力 限制在 规 范
的实 际情 况与 这 种 应力 分 布 关 系 存 在差 异 ， 以 所 文献 ［ ］ ２ 中对 直 径 不 超 过 ｌ５ ０ ｍ 的 圆筒 ， ０ ｍ 开孔 率 限制在 １２ 超 过 １５ ０ ｍ 的 圆筒 ， 孔率 限制 ／； ０ ｍ 开
最 大一 次薄 膜应 力 Ｐ１ Ｉ ．
计算 软件 ， ［ ］ 文献 ７ 提供 的很 多 算法 都 以复 杂 的公
式形式 出现 ， 文算 法 亦然 ， 柱壳 径 向开孔 补 强 本 如 计算就 涉及 计算 变 量 ４ ３个 。为 了方 便 工程 应 用 ，
笔者编 制 了 工程 应 用 软 件 ， 工 作 界 面 如 图 ２所 其
中 图分 类 号
Ｔ ０ １３ Ｑ ５ ．
文献 标 识 码 Ａ
文章编号
０ ５ ￣０４ ２ １ ）２０ ８ － ２ ４ ９ （ ０ １ ０ －１６０ ４
开孔 补 强 是 压 力 容 器 设 计 中 的 重 要 组 成 部 分 ， 系 到设备 的 安全 运 行 。 目前 工 程 中 常 用 的 关 计算 方法 有很 多 。
非均 匀 分布 。
１ 压 力 一面 积 应 力 法 简 介
Ｚ
— 啊∞ ∞ ∞ ∞ ＯＯ ∞
瞬
一
一
■ ＾ｖ ｈｖ 一 ｈｕ＾ ｖ ＾
Ｉ ．
●
髓一 。
ｌ１ ＇ 一
一
焉 ｜ ｜｜｜ 、
ｌ
一
Ｌ
压力 一面积 应 力法 既 不 同于 等 面 积法 ， 不 又
范 围 、 算 步骤 ， 基 于该 方 法编 制 了工程 应 用软 件 。 同 时使 用 该 软 件 ， 行 了 几 种 工程 计 算 方 法 的 对 计 并 进
比 ， 一 步 说 明 了该 方 法 与 传 统 方 法 的 区别 。 进 关 键 词 压 力容 器 开 孔补 强 压 力 一面 积 应 力 计 算
厂 及不 连续 力 厂 ； Ｎ Ｙ
受 内压 作 用时 ， ＝１ ５ 当承 受 外压 作 用 时 ， Ｓ。 。 ．Ｓ ；
ＳＩ ｌ
。
＝
Ｆｈ。
３ 工程 应用 软件 的 开发
为适 应现代化 的设计 ， 为 了方便设 计者 编制 也
ｄ 由作 用 力和 承 载 面 积 计 算 平 均 局 部一 次 ． 薄 膜应 力 和总 体一 次薄 膜应 力 ｏ ｊ ｒ 。 ； ｅ 由 。 ． 和 出 确定 容 器 和 接 管 相 交 处 的 。
示。
ｆ ．按 Ｐ ≤Ｓ 校 核一 次薄膜 应力 Ｐ ，当承
一一 一一 一一 一一
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４
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在 １３ ／ 。等 面积补 强法 有 效 范 围 的取值 仅 与 开 孔
直径 ｄ有 关 ， 以对 ｄ Ｄ （ 体 内直径 ） 小 的开 所 ／ 壳 较
孔 ， 方法 安全 、 靠且偏 保 守 ， ｄ Ｄ 较大 的开 该 可 对 ／
孔 ， 方 法偏 冒进 。 该 压力 面积 法 Ｈ 在本 质 上 与 等 面积 法 是 一 致