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。

2.等面积补强法

化工压力容器在对齐开孔补强的设计中往往会采用这种等面积补强法，其基本的理论原理是通过利用在有效补强范围之内对采用补强材料的截面积必须要求其大或等于由于开孔导致损失的截面积，这样做的本质原理是考虑到压力容器开孔补强壳体的表面平均强度，也就是说要维持压力容器壳体结构的整体屈服强度，而理论模型可以看做是一种无限大的平板开孔，而不至于由于开孔边缘具有附加的弯曲应力而导致过大的偏差，因此可以说明小直径的开孔

是比较安全的、可靠的。

3.分析法

分析法是gb150.3-2011新增的一种开孔补强设计方法，标准中给出了两种计算途径：

3.1等效应力校核直接算出开孔处等效薄膜应力强度sⅱ和等效总应力sⅳ，然后进行应力评定。

3.2补强结构尺寸设计，是在遵从gb150.3式（6-41），式（6-42）设计准则基础上，给出最小设计结构尺寸。

分析法的模型假定接管和壳体是连续的整体结构，因此在使用分析法时，应保证焊接接头的整体焊透性和质量。分析法的设计准则是基于塑性极限与安定分析得出的，通过保证一次加载时有足够的塑性承载能力和反复加载的安定要求来保证开孔安全。分析法不能用于疲劳设计和外压设计，只能用于圆柱壳径向开孔的补强设计，且接管与壳体的有效壁厚比值范围为：0.5-2.0。

4.压力面积法

在德国ad压力容器规范的常规设计篇中，采用压力面积法，并提出其适用范围为：10≤（di+2t）/t≤500，且di/（di+2t）≤0.8。而在b9的附录中又指出，对于具有大开孔的薄壁壳体，按压力面积的设计只能满足静载荷设计要求，不能满足安定性要求；而按b 篇设计的容器应当满足安定性要求，即在设计寿命内，允许全幅度的压力循环不超过1000次。但该附录并未给出按压力面积法设计不满足安定性要求的容器开孔率与壁厚比之定量数值。这是因为压

力面积法无法给出开孔边缘的局部应力。因此，gb150-2011中并未把压力面积法列入标准之中，设计者在设计时只应参考该方法，而不得作为补强设计的依据。

此外，笔者再推荐一种补强设计方法供有兴趣的设计者学习和参考。该方法为asmeⅷ-2 中所采用的补强方法，在形式上既不同于等面积法，又不同于压力面积法，但也可以说既是等面积法，又是压力面积法。它和上述两种方法相同，划定在接管和元件上的补强有效范围，以及在此范围内的承压投影面积。以压力对各承压投影面积所引起的作用力，并计算在该范围内由各承载截面积承受时所引起的最大局部一次薄膜应力作为是否满足补强要求的评定条件。本法最大的特点是：没有开孔率的限制。适合大开孔的计算，正压和负压均可。该补强设计法未在列入gb150-2011中，所以设计者不得以该补强设计法作为设计依据，只能用于学习和参考。

二、结束语

综上所述，笔者通过对压力容器在应对开孔补强设计问题时，基于对gb150.1-150.4-2011《压力容器》的理解和认识，并根据压力容器的实际构造尺寸和工况，研究和分析了相关的设计方案，旨在于促进交流和学习。参考文献[1] 李美求；《过程设备设计》教学与生产实习的结合探讨[j]；长江大学学报(自然科学版)，2011，（09）.[2]陈艳；压力容器开孔补强分析及各种补强方法的比较[j]；广州化工；2012，（01）.[3]国家质量监督检验检疫总

局.gb150.1～150.4-2011《压力容器》；[4]寿比南、杨国义、徐峰、

谢铁军；gb150-2011《压力容器》标准释义；新华出版社，2012（01）.作者简介：姓名：李海平性别：男出生年月：1975.3.2籍贯：陕西省澄城县，工作单位：北京石油化工工程有限公司西安分公司研究方向：压力容器设计，学历：本科

职称：工程师。