高压容器3种开孔补强方法比较

高压容器3种开孔补强方法比较
原作者：杨文玲 王俊宝 闫文军
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【关键词】高压容器,开孔补强,应力集中系数,比较
【论文摘要】论述了3种典型的开孔补强方法，即PVRC法、实验屈服法和压力面积法的特点和不同。

对一高压模型容器球形封头上受内压的接管，分别采用这3种方法进行补强,通过比较和分析可知，PVRC法适用于小开孔，而实验屈服法和压力面积法对于大开孔则更合理和安全。

Comparison of three opening reinforcement methods for high pressure vessel
YANG Wen-ling1, WANG Jun-bao2, YAN Wen-jun2
（1.Tianjin Uni versity,Tianjin 300072,China; 2.Hebei University of Technology,Tianjin 300130, China）
Abstract:Three typical opening reinforcement methods inc luding PVRC, TYM(test yielding method) and PAM(pressure area method) are describ ed .The characteristics of these three methods and the differences among them are mainly discussed . By comparing and analyzing on a model high pre ssure spherical head with a nozzle subjected to internal pressure using these three methods respectively, we conclude that PVRC is suitable for small op ening,while TYM and PAM are more reasonable and reliable for large opening.
Key words：high pressure vessel; opening reinforcement; str ess concentration coefficient; comparison
符号说明
g——单补强接管时接管壁厚比
h——单补强壳体时壳体壁厚比
g＇——同时补强壳体和接管时接管壁厚比
h＇——同时补强壳体和接管时壳体壁厚比
Di——壳体内径，mm
Sn——壳体开孔处的名义厚度，mm
Sd——壳体开孔处的计算厚度，mm
r2—— 接管与壳体连接外转角处过渡半径,mm
Do——容器外径,mm
Se——容器壁厚,mm
C1——钢板厚度负偏差,mm
C2——腐蚀裕量,mm
Sa或S——壳体厚度,mm
di——接管内径,mm
Ss或St——接管厚度,mm
在高压容器上，为满足各种工艺和结构上的要求，需要开孔和安装接管。

容器开孔以后，一方面削弱了器壁的强度，于是降低了容器的承载能力，另一方面，器壁 开孔和接管破坏了原来结构的连续性，当容器升压后，势必在开孔和
接管处产生较大的不连续应力（边缘剪力和边缘弯矩），再加上其它机械载荷所产生的应力、温 差应力、容器材质和制造缺陷等因素的综合作用，往往在开孔附近导致很高的应力集中，成为容器的薄弱环节。

因此，开孔补强问题已引起世界各国普遍重视。

目前，用于高压容器的开孔补强设计方法主要有等面积补强法、弹性应力分析法、极限分析法、美国压力容器研究委员会建议草案（以下简称PVRC 法）、实验屈服法和压力面积法。

笔者对应用较广泛的后3种方法作一比较和评议。

1 基本原理
1.1 PVRC法
美国PVRC通过对大量整体锻件补强结构的实验分析后提出下面的补强准则：接管与筒体或壳体发生全域塑性失效时的极限压力等于未开孔时筒体或壳体的屈服 压力(即p1=0.98ps),并且允许开孔或接管处最大应力为3倍许用应力(亦即σmax=3［σ］)。

显然前半部分是极限分析准则，后半部分是安定性 准则，所以它是两种设计准则的结合［1，2］。

对球形容器上径向开孔的补强设计，采用RLCloud根据极限分析原理提供的图表进行。

对圆筒形容器径向接管的补 强采用RLCloud与Rodabaugh根据类似原理制订的图表进行设计［7］。

但这两类图表仅适于单补强壳体或单补强接管的场合。

对既补强壳体又补强 接管的计算，为简化起见，用线性关系求得，即：
式中,g=St/Sto，h=S/So。

根据上述关系式进行补强设计，其p1/p都将等于或大于1.0，而且K均小于3.0。

各国规范中采用此方法的有PVRC法、我国GB150－89《钢制压力容器》和
JB4732－95《钢制压力容器——分析设计标准》［3,4］。

各国规范中对此方法规定的适用范围不尽相同，GB150—89《钢制压力容器》规定的适用范围为：①适用于承受内压的圆筒、球壳及凸形封头(在以封头中 心为中心80%封头内直径范围内)的径向单个圆形开孔的补强设计。

②两相邻开孔边缘的间距不得小于2.5［S(Di+Sn)/2］1／2。

③在圆筒上，最 大开孔尺寸应为d/Di≤1/3，d/(DiStr2/S)1/2≤1.5,且Di/Sd为10～100。

④在球壳和封头上最大开孔尺寸应为d/(2R) ≤0.5, d/(2RS)1/2≤0.8，而且2R/Sd为10～100。

⑤如用接管和补强件补强，则应与壳体焊成整体，且采用全熔透焊缝，过渡部分需要考虑过渡半 径并打磨光滑。

⑥接管、补强件和壳体所用材料的标准常温抗 拉强度与屈服强度之比σb/σs≥1.5。

上述各符号的意义同文献［3 ］。

1.2 实验屈服法
实验屈服法又称削弱系数法，它对压力容器上不同尺寸的开孔垂直接管，进行一系列压力实验，由开孔接管与壳体连接部位的最大应力达到屈服并产生不大于1% 塑性变形所需的应力，导出不同的容器开孔系数与容器接管的壁厚比所对应的削弱系数，绘出曲线图。

作补强设计时，需将削弱系数值代入壳体厚度公式中，通过曲 线图反复求取容器壁厚，直到满足要求［1,2］。

可见，实验屈服法是建立在实验基础上的。

它的塑性变形接近于塑性失效的极限状态，亦属于塑性安定性的一种 设计准则。

各国规范中采用此法的主要有前西德AD压力容器规范，其适用范围：①内压圆筒、锥壳和球壳的径向圆形开孔，而且壳体壁厚比0.02≤(Se-C1-C2)／
D0≤0.1的开孔补强计 算。

当直径比di/Do≤1／3时，可以低于壁厚比的下限。

②凡按材料长期性能进行计算的或必须按AD规范设计的圆筒和锥壳，例如用高强
钢或受交变载荷较 大时，则开孔的最大直径比di/Do≤0.8。

③对开孔接管未考虑外载作用，如果容器接管受外力或弯矩时，需另行处理。

④适用于塑性韧度均好的材料，如果 用于脆性材料时，应适当提高安全系数，以降低应力水平。

⑤使用本规则要特别注意结构在应力分布上的合理性，尤其是用高强钢时，要避免截面的突然改变。

对于 开孔接管补强结构必须焊透，以避免过高的焊接应力和焊接缺陷,转角要考虑适当的过渡半径并打磨光滑。

1.3 压力面积法
压力面积法是在压力容器开孔区的有效范围内，以容器受压面积与金属承压面积的平衡为基础的。

它是一种近似的分析方法，基本上是一种经验方法。

各国规范中采用此法的有前西德AD压力容器规范和法国CODAP—1987《非直接火受压容器建造规范》［8］。

压力面积法和实验屈服法虽均为AD规范所采用，但压力面积法比实验屈服法适用范围更广， 它不仅用于容器单个的垂直接管，也可用于并联开孔及斜接管的开孔补强计算。

2 比较与评议
2.1 应力集中系数
开孔补强的 目的在于降低开孔所引起的应力集中程度，提高器壁的强度。

应力集中程度是用应力集中系数来描述的。

应力集中系数是指受压容器或部件实际的最大应力σmax 与容器周向膜应力σθ的比值，即K=σmax /σθ。

确定了应力集中系数，就可求出开孔处的最大应力。

应力集中系数的确定是个复杂的问题，各国规范采用的确定方法不同。

PVRC采用应力 指数法［7］。

应力指数K是指所考虑的各应力分量与容器在无开孔接管时的薄膜应力之比，其含义实际上类同于前述的应力集中系数。

诸方向的应力中各有一最大 值σ，应力指数K表示为K=σ/σθ。

该方法仅适用于单个开孔接管，而且Di/Sn≤100，di/Di≤0.5，此外接管根部的内外侧均需按规范给出足 够的过渡圆角及加强高度尺寸。

应力指数法仅考虑受内压载荷时引起的应力集中。

按照PVRC法进行开孔补强后，均能使应力集中系数K≤3.0。

英国规范BS5500采用应力集中系数曲线中的应力集中系数K［5］。

该曲线是以接管与壳体厚度之比St/S为参变量，以开孔系数ρ(ρ=(r/R)
(R/S)1/2=r/(R S)1/2，r和R为接管与球壳的平均半径)及K值为坐标绘制的。

该曲线不仅有承受内压载荷的情况，还有接管受轴向力、横向剪力及弯矩等的情况。

应当指 出，因应力集中系数曲 线法未顾及球壳径比Ro/Ri（反映了球壳的相对厚度）的影响，故存在一定的局限性。

实验表明在某些情况下，Ro/Ri对应力集中系数影响很大。

应力集中 系数中的最大应力是按第一强度理论确定的,即
σmax=σ1。

其理论基础是无限大平板开小圆孔，因此它只适用于薄壁球壳上具有小开孔的情况，该计算方法还 未考虑焊缝的影响。

因而，应力集中系数曲线法的适用范围是：0.01≤r/R≤0.4, 30≤R/S≤150 。

第一条限制了开孔的大小，第二条限制了壳体壁厚。

超过该适用范围时，用此曲线图就会造成较大误差。

例如当Ro/Ri较大（厚壁容器）时，则由图所得K值 较之实际的应力集中系数偏大，即偏于保守。

BS5500采用弹性应力分析法进行开孔补强计算，补强后K≤2.25。

前西德AD规范采用实验屈服法和压力面积法进行开孔补强设计，其应力集中系数是随具体的 开孔补强结 构尺寸变化而变化的。

另外，AD规范应力集中系数中的最大应力是按第三强度理论确定的，即σmax=σ1－σ3。

第一主应力σ1是根据开孔接管影响区的力 平衡求得的，σ1=pAp/Aσ。

其中,Ap是开孔后的非平
衡压力载荷作用 的面积,Aσ是承受非平衡压力载荷的有效面积。

Ap与Aσ的计算可参见AD规范B9。

第三主应力σ3由径向应力σr确定，σ3=σr/2。

可见，AD规范 中应力集中系数的计算基础实际上是求取一种平均应力。

在多数情况下，应力集中系数值偏低［6］。

2.2 适用范围
由前述可知， PVRC法适用范围小，且对材料性能要求高，所用材料的最小拉伸强度与最小屈服强度之比不得小于1.5。

而实验屈服法和压力面积法对材料并没有特殊要求。

另外，PVRC法适用的开孔范围对球壳为d/Di≤0.5，对圆筒为d/Di≤1/3。

而实验屈服法和压力面积法可适用于开孔率d/Di＜0.8的开孔补强设计。

应特别指出，当压力容器的开孔率d/Di＞0.5时，PVRC法是不适用的，因超出了ASME第VIII卷一分册和GB150－89规定的适用范围，这种开孔称之为大开孔。

目前对大开孔补强国际上常用的规范有AD规范及ASME第VIII卷一分册。

AD 规范采用实验屈服法和压力面积法［6］, ASME第VIII卷一分册采用等面积补强法［7］。

以下分析表明，用压力面积法作大开孔补强设 计更为合理。

AD规范规定壳体部分补强宽度B=［(Di+Sa－C1－C2)(Sa－C1－C2 )］1/2,ASME第VIII卷一分册规定等面积补强法壳体补强宽度为B=di/2或S +St的较大值。

AD规定接管补强高度Ls=1.25［(di+Ss－C1 －C2)(Ss－C1－C2)］1/2,ASME第VIII卷一分册规定接管补强高度H =2.5S或2.5St的较小值。

由此可见，压力面积法的壳体补强宽度与壳体内径及壳体厚度有关，与开孔大小无关。

等面积补强法的壳体补强宽度与接管的内 径或接管和壳体的厚度有关，与壳体内径无关。

当di/Di小时，压力面积法补强宽度大于等面积补强法的补强宽度；当d i/Di 较大时，压力面积法的壳体补强宽度比等面积补强法壳体补强宽度小。

开孔周围的应力分布越靠近孔边，应力越大，因此，对较大开孔，压力面积法补强金 属比等面积法 更密集于开孔接管的周围，应力集中系数小，应力衰减快，补强效果好。

另外，大开孔已在德国大量使用，压力面积法具有大量的设计实践经验，故较大开孔的补强 采用压力面积法既合理又安全。

2.3 加工制造工艺等综合性能
开孔补强的 效果不能仅从降低应力集中程度一方面看，还应考虑补强结构的合理性，所需的 补强金属量和焊接工作量，加工制造的工艺性，整个过程的费用情况等等。

补强结构的选择与所采用的补强方法无关。

为比较各补强方法的综合效果，我们对同一结 构的单层高压模型容器进行了大量的实验模拟与计算。

模型容器顶部采用双锥密封的平封头，底部为半球形封头，球形封头有一个径向开孔。

容器承受内压 26MPa，内径1000mm，常温操作。

补强结构采用外加强的整体补强结构，只补强接管，见图1。

分别利用PVRC法、实验屈服法和压力面积法对此结构进行不同开孔率的开孔补强计 算，对计算结果加以分析整理。

为了进行比较 ，在保证应力集中系数K＜3.0（K由应力集中系数曲线法求得）的前提下整理数据，见表1。

为便于分析,将上面数据采用多项式拟合绘成曲线图,见图2。

由 图2和表1可知，实验屈服法和压力面积法均为AD规范所采用，二者在补强结果上差别甚微，下面的分析将实验屈服法和压力面积法均简称AD方法。

当开孔率d/Di≤0.2时，PVRC法和AD方法补强后的接管厚度相差不大，即补强金属量相差不大，且接管与壳体厚度之比St/S＜1。

即使对于壳体厚度较大的容器，补强金属用量也不会很大。

此时，降低应力集中系数成为开孔补强的主要目的。

由于当开孔率小时，PVRC法补强后的应力集中系数小于AD方法。

故当开孔率d/Di 不大于0.2时，采用PVRC法进行开孔补强较合理。

当d/Di≥0.3时，PVRC法补强接管厚度明显大于AD方法，且St/S＞0.5， 这样PVRC法所需补强金属量大。

由于高压容器器壁一般较厚，此时减小接管厚度和补强的金属量成为主要目的，因此宜用AD方法。

否则接管厚度太大，不仅浪 费大量材料，而且在制造上较困难。

当0.2＜d/Di＜0.3时，3种补强方法的效果差别并不大。

但是，在需要严格限制最大应力峰值的场合（例如需按疲劳设计或容器受交变载荷时），限制应力集中系数成为主要目的。

此时，即使d/Di≥0.3，也应视具体 情况而慎重选取开孔补强设计方法。

3 结论
①PVRC法对适用范围限制严格，能保证补强后的应力集中系数 K≤3.0。

在开孔率d/Di不大于0.2时，采用PVRC法较合理。

②实验屈服法和压力面积法适用范围广,补强后应力集中系数随补强结构尺寸而变化，不 能保证在一具体范围内。

此2种方法适用于开孔率d/Di不小于0.3，且对最大应力峰值限制不高的场合。

③对开孔率d/Di＞0.5的大开孔情况，压力面 积法显示出更大的合理性和优越性。