压力容器开孔补强方法比较

压力容器开孔补强方法比较

摘要在工程应用中经常需要为了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，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，在开孔附近导致很高的应力集中，成为容器的薄弱环节。

关键词压力容器；开孔；补强方法；比较

目前，用于压力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。现就PVRC法、实验屈服法和压力面积法进行比较。UDS系统提供了一种在数据库管理系统外围增加一套安全控制机制的方式，有针对性地解决了数据库连接密码固定不变的问题，能够根据用户制定的密码保护等级的要求周期性地随机生成新的合法密码，使得在不影响数据库信息和较少影响数据库访问及基于数据库的应用系统的开发这些前提下能够充分保障数据库中数据信息的机密性和有效性，并且能够支持多种关系数据库产品。

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]）。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。

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。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。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。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。

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2 比较

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。

PVRC采用应力指数法。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。

弹性应力分析法采用应力集中系数曲线中的应力集中系数K。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。适用范围是：0.01≤r/R≤0.4, 30≤R/S≤150 ，补强后K≤2.25。

实验屈服法和压力面积法进行开孔补强设计，其应力集中系数的计算基础实际上是求取一种平均应力，是随具体的开孔补强结构尺寸变化而变化的。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。第三主应力σ3由径向应力σr确定，σ3=σr/2。

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。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。