压力容器开孔接管局部应力计算方法研究
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Ｃｏ ｅ ｔｄ ｔ ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ ｌ ｎｎ ｃ ｅ ｏ Ｐｒ ｓ ｕ ｅ ｖ ｓ ｅ
Ｌ Ｎ Ｙａ ｇｊ ＪＮ Ｙ － ｎ Ｓ ｎｘａ Ｉ ｎ －ｅ ， Ｉ ｕ ｌ ｇ ， Ｕ Ｗｅ －ｉｎ ｉ ｏ
（ Ｄｐ ｒ ｅｔｆＰｏｅ ｑｉｍ ｎ ， ａｅ ｅｈ ｏ ｇ ． ｅａｔ ｎ ｏ ｒｃｓ Ｅ ｕ ｅ ｔ Ｂ ｙｒＴｃｎｌ ｙ＆ Ｅ ｇｎｅ ｎ （ｈ ｎ ｈ ｉ ｏ ｐ ｎ ， ｈ ｎｈ ｉ ２ １ ０ ，Ｃ ｉ ； ｍ ｓ ｐ ｏ ｎ ｉ ｒ ｇ Ｓ ａｇ ａ）Ｃ ｍ ａｙ Ｓａ ｇ ａ ０５ ７ ｈｎ ｅｉ ａ
２７方法得 到 的 结 果 与 有 限元 分 析 的结 果 做 比较 ， ９ 得 出了如 下结论 ： 当接 管上 受到外 加机 械载荷 时 ， 对 于 圆筒 体 与接管 的 连接 结 构 ， 应 力分 类 的强 度条 在
但对于式（ ） ２ 表示 的强度条件 ， 因为在计算得
到 的弯 曲应力 中无法将 一 次应力 和二次 应力 区分开 来 。因此 ， 本文 暂不使 用该 强度条 件 。
元分析结果 的比较基准 ， 以在简体与接管连接的结 构上施 加 外力 和外 力 矩 为 模 型 ， ＷＲ ０ ， Ｃ 用 Ｃ １７ ＷＲ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｉ ｅ ｉｎ ｏ ｒ ｓｕ ｅ ｖ ｓ ｅ ，ｔ ｅ ｏ ｅ ｉ ｇ ｗｉ ｅ ｋ ｎ ｔ ｅ ｗ ｌ ｏ ｅ ｓ ｌａ ｄ ｄ ｓｒ ｙ ｔ ｅ ｃ ｎ ｉ ｕｔ ｆｔ ｅ ｓｒ ｃｕ ｅ ｈ ｓｒ ｃ ： ｎ ｄ ｓｇ ｆ ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ ｌ ｈ ｐ ｎ ｎ ｌ ｗ ａ ｅ ｈ ａ ｌ ｆｖ ｓ ｅ ｎ ｅ ｔ ｈ ｏ ｔ ｉ ｏ ｔ ｔ ｒ ．Ｔ ｅ ｐ ｌ ｏ ｎ ｙ ｈ ｕ
ｏ ｅ ｉｇ ａｅ ｉ ｅ ｏ ａ ｒ ａ ｄ ｅ ｔ ｈ ｃ ｌｓｒ ｓ ｏ ｃ ｎｒ ｔ ｎ ａ ｌ ａ ｅ ｅ ｔ ｒ ａ ｏ ｚｅ ｌａ ｎ ｍｅ ｔｃ ｕ ｅ ｉｈ ｐ ｎ ｎ ｒ ａ ｗ ｌ ｂ ｃ ｍｅ ａ ｗｅ ｋ ａ ｅ ｕ ｔ ｅ ｌ ａ ｔ ｓ ｃ ｎ ｅ ｔ ｉ ｓｗｅｌ ｓｔ ｘｅ ｎ ｎ ｚｌ ｄ ａ ｄ ｍｏ ｎ ａ ｓ ｄ ｈｇ ｌ ｏ ｏ ｅ ａｏ ｈ ｌ ｏ
是 以两 个方 向 的薄膜和 弯 曲应 力 的形 式给 出。 按 应 力分 类 的 强度 条件 是 ， 别按 薄 膜 应力 和 分
它是 ＷＲ ０ 的补充， Ｃ１７ 专用于圆筒形容器上的圆筒 形接管 。该 公报是 以 Ｓｅｌ教 授 的理论 研 究 为依 据 ｔ ｅ ｅ
的 ， 理论 考虑 了壳体 上 的开孔 、 该 以及接 管壁 的约束 作用 ， 比 ＷＲ ０ 这 Ｃ１７中模 拟 圆筒形 容器 中接 管连 接
中图分类号 ：Ｑ０ ０ ２ Ｔ ９ Ｔ ５ ． ；Ｈ ４ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：１０ —２ １ ２ １ ）６０ ０ －６ ０ ９３ ８ （０ １０ － １ ０ ０
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｅ ｈ ｄ ｏ ｌｕ ａ ｉ ｇ Ｌｏ ａ ｔ ｅ ｓａ ｏ ｆＮｇ ｌ ｓ ａ ｃ ｆＭ ｔ ｏ ｓ ｆ ｒ Ｃａｃ ｌ ｔ ｃ ｌＳ ｒ ｓ ｔＲｏ ｔｏ ｇ ｅ ｎ
的工作 。美 国焊接 研究 委 员 会公 报 ＷＲ ０ ｌ ］ Ｃ １７１ 及 － ２ ＷＲ ９ ４提 出了 由外 载荷 引起 局 部 应 力 的计 算 Ｃ２ ７ 。 方 法 。ＷＲ ０ Ｃ１７公报 首次 公布 在 １６ ９５年 ８月 ， 它是 基 于 Ｂｊ ｒ ｉａｒ ｌ ｄ教授 的理论 成果 ， 并按 已有 的实 验数据 作 了一 些 调 整 。这 是 提 高 “ 析 法设 计 ” 本 原 理 解 基 的主要 推动力 之一 。该 公报包 括 了球形 和 圆筒 形容 器 两者 。ＷＲ ９ 报是 在 １８ Ｃ２７公 ９４年 ８月份公 布 的 ，
Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ｌｃ ｔ ｓ ； ｃ ｌｕ ａｉ ｎ ｍｅｈ ｄ； Ｗ ＲＣ １ ７； ＷＲＣ ２ ７； ｆ ｉ ｍｅ ｔ ｎ ｌ ｓ ｙ ｒｓ ｏ ａ ｓｒ ｓ ａ ｃ ｌ ｔ ｔ ｏ ｌ ｅ ｏ ０ ９ ｉ ｔ ｄｅ ｎ ａｙ ｉ ｎｅ ａ ｓ
在压力容器及化工设备设计 中，由于工艺及结 构上的原 因， 常需在容 器或设备 上开孔并安 装接
第４ ８卷第 ６期
２１ 年 １ ０１ ２月
化
工
设
备
与
管
道
Ｖｏ ． ８ Ｎｏ ６ １４ ．
Ｐ Ｏ Ｅ ＳＥ Ｕ Ｐ Ｎ Ｒ Ｃ Ｓ Ｑ ＩＭＥ Ｔ＆ ＰＰＮ ＩＩ Ｇ
Ｄｅ ． ０ ｌ ｃ ２ １
・
压 力 ． 器 Ｗ－
・
压 力容 器 开孔 接 管局 部应 力计 算 方 法研 究
用无孔的壳体为模型更好。当超出这两个方法的范
围时 ， 一般 会采 用有 限元 分 析 的方 法 。有 限元 得
（） １ （） ２
（） ３
益于近年来计算机和商业软件的快速发展 ， 计算速 度 和计算 规模均 已满 足一般 压力 容器 设计 的需要 。
在压 力容器 开孔 接 管 局部 应 力 计 算 方 面 ， 秦 叔经 剖等做 了很多 研究 工作 。如文 献 ［ ］ 【 ］ ７ 和 ８ 中 确定 了 ＷＲ ０ ， Ｃ２７方法 得到 的结 果 与有 限 Ｃ１７ ＷＲ ９
部应力 ， 并与用有 限元分析方 法得到 的结果做 比较。通过 分析 比较 ， 对给定 的壳体与接 管连接 结构在轴 向力工况
下如何合理选择 一种方法给 出了一些推 荐意见 ， 而使得在保证安全的前提 下，可以降低 综合设计成本 。 从 关键词 ： 局部 应力； 计算方法 ； ＷＲ ０ ； ＷＲ ９ ； 有 限元分析 Ｃ１７ Ｃ２ ７
管 。 由于 开孔而 使器 壁被 削弱并 破坏 了原有 结构 的 连续性 ， 因而在 开孔 一 附近 产 生 了明显 的应 力 集 接管 中 ， 上管 道 受 到 外 载 的作 用 ， 管 道 和 介 质 的 自 加 如
因此 ， 设计时应采用 可靠 的计算方法 ， 以确定局部 应 力 的大小 ， 按一 定 的设 计准 则进 行评 价和 限制 。 并
然而 ， 由于结构 的几何 尺 寸 、 制造 方 法 、 承受 载 荷 种
类及设计方法的不同， 使开孑 一 Ｌ 接管区应力的计算及
设计 成 为一个 比较 复杂 的 问题 。
重、 地震引起的惯性力 以及风力等等 ， 因而管道将不 可避免地通过连接接管对容器作用力和力矩 ， 这些 力和力矩会在容器与接管连接的局部区域产生高应 力， 因此 ， 容器 与接 管连接 的 区域 成 为 了整 台设备 的 薄弱环 节 。如果 设计 时不充 分考 虑压力 容器 开孔 接 管结构的局部应力 ， 并将其限制在一定 的范 围内， 将会严重影响其安全性 ， 甚至导致灾难性破坏事故 。
薄膜应力 ＋ 弯曲应力 ， 先将同方 向的应力叠加以后 ， 再根据 第 三强度 理 论计 算 得 到 当量 应 力 ， 然后 按 以
下强 度条件 进行 校核 ： ｏ ≤１５ ｏ］ ｒ ．［ Ｌ ｒ Ｌ ｏ ≤１５ ］ ＋ｒ ，［ ｂ
ｒ ＋ ＋ ≤３ ０ ｏＬ ｂ Ⅱ ． ［ ］
林 杨 杰 金 玉 龙 苏文 献 ， ，
（． １拜耳技术工程 （ 上海 ） 有限公司工艺设备部 ， 上海 ２ １０ ； ０ ５７
２ 上海理工 大学化工过程机械研究所 ，上海 ２ ０ ９ ） ． ０ ０ ３
摘 要 ：在压力容 器设 计 中， 由于开孔而使 器壁被 削弱并破坏 了原 有结构 的连 续性 ， 因而在 开孔一 管 附近 产生 了 接
ｌｃ ｔ ｓ ｔｈ ｏｊｎｔｎｏ ｅｓｅ ｎ ｏｚ ．Ｔ ｅ ｆｒ， ｒｐｒｃ ｃｌｉｎｍ ｔ ｄｉ ｅｓｎｉ ｎ ｕ ｅｖｌｅｏ ｅ ｏａ ｓ ｅｓａ ｔｅｃｎ ｃ ｏ ｆｈ ｌａｄｎｚ ｅ ｈ ｒ ｏｅ ａｐｏｅ ａ ｕａ ｏ ｅ ｏ ｓ ｓｅｔ ｌｏｆ ｄｏｔｈ ａｕ ｆｈ ｌ ｒ ｕ ｉ ｔ ｈｌ ｌ ｅ ｌ ｔ ｈ ａ ｔｉ ｔ ｔ
明显的应力集 中， 加上 管道通过接 管而施加 于设备上 的力和力矩会 在容器与接 管连 接的局部 区域 产生 高应 力，使
之成为整 台设备的薄弱环节。所以 ， 设计 时应采 用可靠的计算方法 ， 以确定局部应 力的大小。通过对 ｌ 组不 同结 ３ 构尺寸 的带接管轴 向力的开孔接管模型 ， 用 ＷＲ ７ ＷＲ ９ 公报 中提供 的方 法计 算模 型开孔接 管处的局 应 Ｃ１ 和 ０ Ｃ２７
径 比 ， 数 ｔＤ 参 ／ 是简 体 的厚 度 比上 中径 。
２ 选择计算结果 比较基 准
在 ＷＲ ０ Ｃ １ ７方法 和 ＷＲ ９ 法 中都 没有 给 Ｃ ２ ７方 出考虑压力载荷 时的应力组合方法ｌ ， ９ 因此， ｊ 本文
的计算和 比较 中将都不考虑压力 载荷 对应力的影 响。ＷＲ ０ 方法和 ＷＲ ９ 方法的计算结果都 Ｃ１７ Ｃ２ ７
２Ｉｓｔｅｏ ａ ．ｎｔｕ ｉｔｆ
Ｍａｈｎｒ ｃｉ ｙ＆Ｐｏｅ ｑｉ ｅｔ ｎｖ ｓｙｏ Ｓａｇａｆｒ ｃ ｎｅａｄＴｃｎｌ ｙ Ｓ ｎｈｉ ００３ Ｃ ｉ ） ｅ ｒ ｓ Ｅ ｕ ｍ ｎ，Ｕ ｉｒｔ ｈｎｈ ｉｏ Ｓｉ ｃ ｎ ｅ ｏ ｏ ， ｈ ｇａ ２０９ ， ｈｎ ｃｓ ｐ ｅｉ ｆ ｅ ｈ ｇ ａ ａ
１ 计算接管局部应力概 述
多年来 ， 许多研究者对此问题做 了许多有价值
收稿 日期 ：０ １１ ．９ ２ １—０ １
作者简介 ： 林杨杰 （９３ ）男 ， 江温岭人 ， 程师。主要从事化 １７一 ， 浙 工
工工程项目设备设计及技术服务工作。
・
２・
化
工 设Βιβλιοθήκη 备与 管道
第４ ８卷第 ６期
ｌ ｃ ｔｅ ｓ ｉ ｒｓ ｕ ｅ ｖ ｓ ｅ ｅ ｉｎ ｎ ｔｉ ｒｉｌ ｏ ａ ｓｒｓ ｎ ｐ ｅ ｓ ｒ ｅ ｓ ｌ ｓ ．Ｉ ｈ ｓａ ｔ ｅ，１ ｉ ｅ ｅ ｔｓ ｅ ｏ ｏ ｚｅ ｏ ｅ ｉ ｇ ｓｒ ｃｕ ｅ ｉ ｘ ａ ｏ ｚｅ ｌａ ｒ ａ ｅ ｓ ｌ ｄ ｇ ｃ ３ ｄｆ ｒ ｎ ｉ ｆｎ ｚ ｌ ｐ ｎｎ ｔｕ ｔ ｒｓ ｗ ｔ ａ ｉ ｎ ｚ ｌ ｏ ｄ ａ ｅ ｔｋ ｎ ａ ｆ ｚ ｈ ｌ ｔ ｅ ｃ ｌｕ ａｉｎ ｍｏ ｅ ｓ ｈ ａｃ ｌ ｔ ｄ ｌ ．Ｔｈ ａｃ ｌ ｔ ｎ ｒ ｓ ｌ ｙ Ｗ ＲＣ ０ ｎ ＲＣ ９ ｒ ｏ ａ ｅ ｔ ｈ ｔ ｙ Ｆ Ｍ．Ｂ ｈ ｓ ｏ ａ ｉ ｎ ，ｗｅ ｏ ｅ ｃ ｕ ａｉ ｅ ｕ ｔ ｂ ｌ ｏ ｓ １７ａｄＷ ２ ７ ａ ｅ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗｉ ｔ ａ Ｅ ｈ ｂ ｙ ｔ ｅ ｅ ｃ ｍｐ ｒ ｏ ｓ ｓ ｍａ ｅ ｓ ｍｅ ｒ ｃ ｍｍｅ ｄ ｔ ｎ ｆｒｔ ｅｌ ｃ ｔ ｓ ａ ｃ ｌｔ ｎ ｍｅｈ ｄ ｆｒｎ ｚｌ ｐ ｎｎ ｔ ｃ ｕ ｅｗｉ ｉ ａ ｈ ｃ ｒ ｅ ｎ ｔ ｔ ｄ ａ ｄ ｏ ｅ ｏ ｎ ａｉ ｏ ｏ ａ ｓ ｅ ｓ ｃ ｌ ｕａ ｉ ｔ ｏ ｏ ｚｅ ｏ ｅ ｉ ｇ ｓ ｔ ｒ ｔ ａ ａ ｌ ｄ ｗ ｉｈ ａ ｅｄ ｍｏ ｓ ａ ｅ ｓ ｏ ｈ ｌ ｒ ｏ ｏ ｕ ｒ ｈｘ ｌ ｏ ｒ ｓ ｆ ｔ ｏ ｕ ａ ｅ ｕ ｅ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｏ ｔ ａｅ ｍｅ ｈ ｄ ｂ ｔｃ ｎ ｒ ｄ ｃ ｈ ｅ ｉｎ ｃ ｓ ．
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２７方法得 到 的 结 果 与 有 限元 分 析 的结 果 做 比较 ， ９ 得 出了如 下结论 ： 当接 管上 受到外 加机 械载荷 时 ， 对 于 圆筒 体 与接管 的 连接 结 构 ， 应 力分 类 的强 度条 在
但对于式（ ） ２ 表示 的强度条件 ， 因为在计算得
到 的弯 曲应力 中无法将 一 次应力 和二次 应力 区分开 来 。因此 ， 本文 暂不使 用该 强度条 件 。
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是 以两 个方 向 的薄膜和 弯 曲应 力 的形 式给 出。 按 应 力分 类 的 强度 条件 是 ， 别按 薄 膜 应力 和 分
它是 ＷＲ ０ 的补充， Ｃ１７ 专用于圆筒形容器上的圆筒 形接管 。该 公报是 以 Ｓｅｌ教 授 的理论 研 究 为依 据 ｔ ｅ ｅ
的 ， 理论 考虑 了壳体 上 的开孔 、 该 以及接 管壁 的约束 作用 ， 比 ＷＲ ０ 这 Ｃ１７中模 拟 圆筒形 容器 中接 管连 接
中图分类号 ：Ｑ０ ０ ２ Ｔ ９ Ｔ ５ ． ；Ｈ ４ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：１０ —２ １ ２ １ ）６０ ０ －６ ０ ９３ ８ （０ １０ － １ ０ ０
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的工作 。美 国焊接 研究 委 员 会公 报 ＷＲ ０ ｌ ］ Ｃ １７１ 及 － ２ ＷＲ ９ ４提 出了 由外 载荷 引起 局 部 应 力 的计 算 Ｃ２ ７ 。 方 法 。ＷＲ ０ Ｃ１７公报 首次 公布 在 １６ ９５年 ８月 ， 它是 基 于 Ｂｊ ｒ ｉａｒ ｌ ｄ教授 的理论 成果 ， 并按 已有 的实 验数据 作 了一 些 调 整 。这 是 提 高 “ 析 法设 计 ” 本 原 理 解 基 的主要 推动力 之一 。该 公报包 括 了球形 和 圆筒 形容 器 两者 。ＷＲ ９ 报是 在 １８ Ｃ２７公 ９４年 ８月份公 布 的 ，
Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ｌｃ ｔ ｓ ； ｃ ｌｕ ａｉ ｎ ｍｅｈ ｄ； Ｗ ＲＣ １ ７； ＷＲＣ ２ ７； ｆ ｉ ｍｅ ｔ ｎ ｌ ｓ ｙ ｒｓ ｏ ａ ｓｒ ｓ ａ ｃ ｌ ｔ ｔ ｏ ｌ ｅ ｏ ０ ９ ｉ ｔ ｄｅ ｎ ａｙ ｉ ｎｅ ａ ｓ
在压力容器及化工设备设计 中，由于工艺及结 构上的原 因， 常需在容 器或设备 上开孔并安 装接
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压 力容 器 开孔 接 管局 部应 力计 算 方 法研 究
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在压 力容器 开孔 接 管 局部 应 力 计 算 方 面 ， 秦 叔经 剖等做 了很多 研究 工作 。如文 献 ［ ］ 【 ］ ７ 和 ８ 中 确定 了 ＷＲ ０ ， Ｃ２７方法 得到 的结 果 与有 限 Ｃ１７ ＷＲ ９
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因此 ， 设计时应采用 可靠 的计算方法 ， 以确定局部 应 力 的大小 ， 按一 定 的设 计准 则进 行评 价和 限制 。 并
然而 ， 由于结构 的几何 尺 寸 、 制造 方 法 、 承受 载 荷 种
类及设计方法的不同， 使开孑 一 Ｌ 接管区应力的计算及
设计 成 为一个 比较 复杂 的 问题 。
重、 地震引起的惯性力 以及风力等等 ， 因而管道将不 可避免地通过连接接管对容器作用力和力矩 ， 这些 力和力矩会在容器与接管连接的局部区域产生高应 力， 因此 ， 容器 与接 管连接 的 区域 成 为 了整 台设备 的 薄弱环 节 。如果 设计 时不充 分考 虑压力 容器 开孔 接 管结构的局部应力 ， 并将其限制在一定 的范 围内， 将会严重影响其安全性 ， 甚至导致灾难性破坏事故 。
薄膜应力 ＋ 弯曲应力 ， 先将同方 向的应力叠加以后 ， 再根据 第 三强度 理 论计 算 得 到 当量 应 力 ， 然后 按 以
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林 杨 杰 金 玉 龙 苏文 献 ， ，
（． １拜耳技术工程 （ 上海 ） 有限公司工艺设备部 ， 上海 ２ １０ ； ０ ５７
２ 上海理工 大学化工过程机械研究所 ，上海 ２ ０ ９ ） ． ０ ０ ３
摘 要 ：在压力容 器设 计 中， 由于开孔而使 器壁被 削弱并破坏 了原 有结构 的连 续性 ， 因而在 开孔一 管 附近 产生 了 接
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明显的应力集 中， 加上 管道通过接 管而施加 于设备上 的力和力矩会 在容器与接 管连 接的局部 区域 产生 高应 力，使
之成为整 台设备的薄弱环节。所以 ， 设计 时应采 用可靠的计算方法 ， 以确定局部应 力的大小。通过对 ｌ 组不 同结 ３ 构尺寸 的带接管轴 向力的开孔接管模型 ， 用 ＷＲ ７ ＷＲ ９ 公报 中提供 的方 法计 算模 型开孔接 管处的局 应 Ｃ１ 和 ０ Ｃ２７
径 比 ， 数 ｔＤ 参 ／ 是简 体 的厚 度 比上 中径 。
２ 选择计算结果 比较基 准
在 ＷＲ ０ Ｃ １ ７方法 和 ＷＲ ９ 法 中都 没有 给 Ｃ ２ ７方 出考虑压力载荷 时的应力组合方法ｌ ， ９ 因此， ｊ 本文
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２Ｉｓｔｅｏ ａ ．ｎｔｕ ｉｔｆ
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１ 计算接管局部应力概 述
多年来 ， 许多研究者对此问题做 了许多有价值
收稿 日期 ：０ １１ ．９ ２ １—０ １
作者简介 ： 林杨杰 （９３ ）男 ， 江温岭人 ， 程师。主要从事化 １７一 ， 浙 工
工工程项目设备设计及技术服务工作。
・
２・
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第４ ８卷第 ６期
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