ASME压力容器开孔补强要求

ASME 压力容器开孔补强要求
开孔的形状
圆形筒体或锥壳、封头上的开孔最好采用圆形、椭圆或长圆形状，但规范并不限制使用其它形状的封头。

当长圆或椭圆的开孔长、短径之比大于2:1，横跨短径的补强面积应增加，以防止由于扭矩产生的变形。

UG-36(b)开孔的尺寸
对于壳体内径≤60”(1250 mm)，开孔尺寸不得大于直径的1/2，最大不超过20”(508 mm)。

对于壳体内径>60”(1250 mm)，开孔尺寸不得大于直径的1/3，最大不超过40”(1000 mm)。

如果开孔超过上述限制，除要满足UG-36至UG-43的要求外，还须满足附录1-7的补充要求。

成形封头和球形壳上经过正确补强的开孔无尺寸限制。

当开孔的尺寸大于与封头相连的壳体直径的1/2时，可以使用锥壳过渡段来代替补强。

见UG-36(b)(2)(a-d)。

UG-36(c)(3)壳体和成形封头上开孔免除开孔补强计算
容器上的开孔如果不承受压力的快速波动，在满足以下要求的情况下，开孔除自身结构的补强外，不须另外补强。

对于焊接或钎接接头，最终开孔的直径不大于：
3-1/2 in. (89 mm)–壳体或封头的厚度≤3/8 in. (10 mm)； 2-3/8 in. (60 mm) – 壳体或封头的厚度>3/8 in. (10 mm)。

对于螺纹连接或胀接接头，壳体和封头上的开孔直径不超过2-3/8 in. (60 mm). 任何两个未加补强的开孔，其中心距不得小于两孔直径之和。

三个或三个以上开孔群中任意两个未加补强的开孔孔心距不得小于：
))(cos 5.11(
21d d ++θ-对于圆形筒体和锥壳； )(5.221d d +-对于具有双曲率的壳体和封头。

UG-36(d)
开孔可以开在焊缝上，见UW-14。

UG-39(a)平封头上开孔免除补强计算
单个开孔，其尺寸不超过UG-36(c)(3)(a)和(b)的限制、 并且封头直径或短径的1/4时，可免除补强计算。

要求的补强面积
UG-37在内压或外压下要求的补强面积（筒体和封头）
Section VIII, Div. 1 UG-37
提供补强
可供补强有五个方面：
A1：壳体上富余厚度提供的补强面积
A2：延伸到壳体外侧的管接头富余厚度提供的补强面积
A3：延伸到壳体内侧的管接头富余厚度提供的补强面积
A4：焊缝提供的补强面积
A5：补强圈提供的补强面积
腐蚀余量
按UG-36(c)(1)，腐蚀余量不能用于提供补强。

按UG-16(e)，用于计算公式的所有符号代表腐蚀后的尺寸。

UG-40补强区域
与容器壁相平行的方向，取以下较大值：
d –开孔腐蚀后的直径
R n + t + t n
与管接头壁相平行的方向，取以下较小值：
2.5t
2.5t n + t e
式中：
R n = 开孔腐蚀后的半径
t n = 管接头扣除负偏差后的壁厚
t = 容器的壁厚
t e= 加强圈的厚度
补强的强度（UG-41）
如果补强材料（加强圈、焊缝金属、等）的许用应力大于容器材料的许用应力，不
考虑由于较高应力值带来的附加强度。

如果补强材料的应力值低于容器材料，所提供的补强面积应按两应力的比值成反比例增加。

强度降低系数：
f r =
v
n
S S 式中：S n = 补强材料的许用应力 S v = 容器材料的许用应力
以下举例说明f r 的使用：
A = dt r F + 2t n t r F(1-f r1)
对于安放式管接头，f r1 = 1.0 A = dt r F
UG-39平封头上单孔要求的补强面积
UG-39(b)(1)：标准孔
对于单个开孔，其直径不超过封头直径或短径
的1/2（见UG-34）：
A = 0.5dt + tt n (1 – f r1)
式中：
d = 圆形开孔扣除腐蚀余量后的直径（见
UG-37关于非径向开孔的定义） t = 平封头或平封盖的最小要求厚度。

或
按UG-34计算增加封头的厚度[UG-39(d)(1)]。

UG-39(c)：大开孔
对于具有开孔直径大于封头直径1/2的平封头，应按以下要求设计：
UG-39(c)(1)：按附录14-20（具有大、单个、圆形、位于中心开孔的整体[圆形]平封头），使用附录2的有关系数（采用环状垫圈的螺栓法兰设计要求）。

UG-39(c)(2)：给出对于在中心开孔周围再开孔的设计要求。

UG-39(c)(3)：对于上述以外的其它开孔，没有给出设计方法，应符合U-2(g)条。

平封头上多个开孔的补强要求
UG-39(b)(2)：相距较开的标准开孔*
对于开孔直径不超过封头直径的1/2，任意两孔的平均直径不超过封头直径的1/4，并且任意两孔的孔距≥两孔平均直径的2倍：
A = 0.5dt
式中：
d = 圆形开孔扣除腐蚀余量后的
直径（见UG-37关于非径向开孔的定义）
t = 平封头或封盖的最小要求厚
度（见UG-34）。

相距较近的标准开孔*
封头上任意两孔的孔距为 1/4 d avg. ≤孔距< 2 d avg. 其它与上述一致：
A = 0.5dt
但，要求的补强面积的50%必须分布在两孔之间。

对于不属于上述情况的开孔，没有给出计算方法，应按U-2(g)。

*注意：孔与孔之间的孔桥或孔到封头边缘的距离不得小于较小开孔直径的1/4。

确定用于补强计算的tr
碟形封头，t r是按附录1-4(d)计算的要求厚度，使用M = 1。

椭圆封头，t r是半径为K1D的无缝球壳计算厚度，D是筒体的直径，K1按Table UG-37。

UG-38内扳边开孔
内扳边的厚度应符合UG-27（内压）或UG-28（外压）的要求。

补强要求应符合UG-37。

承受内、外压的内扳边开孔的厚度应按内、外压计算的厚度取较大值。

开孔补强计算举例
壳体内径：48 in.
设计压力：250 psi
壳体材料：SA-285 Gr. C, S = 13.8 ksi
壳体厚度：0.875 in.
容器经100%RT
腐蚀余量：0.125 in.
管接头尺寸：NPS 6 Extra Strong (0.432 in. 厚，5.761内径)
管接头材料：SA-53 B, S = 15 ksi
管接头内出头长度：1.5 in.
开孔不在焊缝上
角焊缝尺寸：焊脚0.375 in.
首先，扣除腐蚀余量：
t = 0.750 in. = 0.875 – 0.125 t n = 0.307 in. = 0.432 – 0.125 d = 6.011 in. = 5.761 – 2(0.125) R v = 24.125 in. = 48/2 + 0.125 R N = 3.006 in. = 5.761/2 + 0.125
要求的壁厚：UG-27(c)(1)
442.02506.00.113800125
.242506.0=⨯-⨯⨯=-=P SE PR t r in.
051.02506.00.115000006
.32506.0=⨯-⨯⨯=-=P SE PR t rn in.
要求的补强面积：
)1(21r r n r f F t t F dt A -+=
F = 1; θ = 0; f r1 = S n /S v = 15/13.8 = 1.09 ≈ 1 = 6.0011(0.442)(1) + (2)(0.307)(0.442)(1)(1 - 1) A = 2.657 in 2 可供补强的面积
A 1 = (壳体的富余厚度)取以下较大值
=)1)((2)(111r r n r f Ft t E t Ft t E d ----
=)11)(442.01750.01(307.02)442.01750.01(011.6-⨯-⨯⨯-⨯-⨯
A 1 =1.851 in 2 或
=)1)((2))((2111r r n r n f Ft t E t Ft t E t t ----+
=)11)(442.01750.01(307.02)442.01750.01)(307.0750.0(2-⨯-⨯⨯-⨯-⨯+=
0.651 in 2
A 2 = (管接头的富余厚度)取以下较小值 =960.0750.01)052.0307.0(5)(52=⨯⨯-⨯=-t f t t r rn n
=393.0307.01)051.007.0(5)(52=⨯⨯-⨯=-n r rn n t f t t
A 2 =0.393 in 2
h = 2.5t n 或2.5t ，取较小值
2.5t n = 2.5(0.307) = 0.768 in. 2.5t = 2.5(0.750) = 1.875 in. = 0.768 in. <1.5 in. (OK)
A3 = (管接头内出头提供的补强面积)
in.2
=280
=
-h
t
(2=
c
-
)
)
125
.0
.0(2
307
.0
n
A41=(外侧角焊缝) = Leg2f r2 = 0.3752⨯ 1 = 0.141 in2
A43 =(内侧角焊缝) = Leg2f r2 = (0.375 – 0.125)2⨯ 1 = 0.063 in2 A1 + A2 + A3 + A41 + A43 = A Total= 2.728 in2
A = 2.657 in2
由于A<A Total，因此无须再增加补强。