2024年3月30日发(作者:瞿姝)
第7期
- 5 -
论 文 广 场
开孔补强计算时接管厚度附加量对计算结果
的影响
陆英
(常州市乐萌压力容器有限公司,江苏 常州 213138)
[摘 要] 国内外大多数压力容器设计标准规范中开孔补强计算是以有效厚度进行计算的,但GB 150.3-2011标准中计算外伸、
内伸接管有效补强高度时,是以接管名义厚度计算的,由于名义厚度中包含了厚度附加量,不符合强度计算理论。通过对一
台氯气缓冲罐接管开孔补强计算进行对比说明,按GB 150.3-2011标准计算开孔补强满足强度要求,如采用接管有效厚度进行
计算,则不能满足强度要求,建议GB 150.3-2011标准中开孔补强计算以接管有效厚度作为计算依据。
[关键词] 接管开孔补强;接管有效厚度;接管有效补强高度;接管厚度附加量
压力容器根据操作工艺要求,需要在壳体上
开设各种规格的管口。容器壳体开孔后,因承载
面积的减少及结构不连续,而引起应力集中,使
开孔边缘应力增大且强度受到削弱,所以需要对
接管开孔进行补强计算,保证接管开孔部位满足
强度要求。接管开孔补强计算是压力容器设计过
程中的一项重要内容。
1 开孔补强的原理及计算方法
压力容器受到介质压力作用后,壳体承受薄
膜应力。当在壳体上开孔后,既减少了壳体的承
载面积而使应力增加,又由于开孔引起结构不连
续,导致开孔部位应力集中
[1]
。由此可知,壳体开
孔后将使开孔部位强度削弱。为了保证壳体承载
能力不因开孔削弱而降低,需在开孔边缘附近增
加相应的承载金属面积,以满足强度要求。
满足开孔补强的强度条件是开孔边缘区域内
的应力在许用范围内,需要通过开孔补强计算,
确定开孔区域是否满足强度要求。开孔补强计算
方法有等面积法、压力面积法、应力分析法及有
限元分析法
[2]
,最常用方法是等面积法,等面积法
是壳体开孔所需补强面积等于因开孔而削弱的面
积。采用等面积补强计算时,壳体开孔所需补强
面积是壳体计算厚度与开孔直径乘积
[3]
,在有效补
强范围内补强截面积包括壳体多余面积、接管多
余面积、补强区域内焊缝面积以及另加补强金属
面积。
由于介质的腐蚀作用,通常压力容器都设有
一定的腐蚀裕量,并且还考虑壳体与接管的厚度
负偏差和加工减薄量。厚度负偏差、加工减薄量
与腐蚀裕量,在设备成形及设备使用过程中被介
质腐蚀后,上述的厚度负偏差、加工减薄量与腐
蚀裕量已不存在。所以在强度计算时,只能以壳
体及接管的有效厚度作为计算依据。
2 压力容器设计标准规范中补强计算
涉及压力容器开孔补强计算的国内设计标准
规范有:GB 150.3-2011《压力容器 第3部分:设
计》
[4]
第6章,HG/T 20582-2011《钢制化工容器强
度计算规定》
[5]
第6、7章开孔补强计算,JB 4732-
1995《钢制压力容器-分析设计标准》(2005年确
认版)
[6]
第10章开孔和开孔补强;国外设计规范有
ASME锅炉及压力容器规范国际性规范第Ⅷ卷第一
册UG-36(C)章
[7]
和AD2000-Merkblatt B9规范
[8]
等。
在上述设计标准规范中,开孔补强计算,所
采用壳体厚度,均为扣除厚度附加量后的有效厚
度,而计算接管外伸、内伸有效补强高度除GB
150.3-2011标准外,均以扣除厚度附加量后的接管
有效厚度作为计算依据。
GB 150.3-2011标准中,接管外伸、内伸有
效补强高度的计算式中是采用接管名义厚度,而
接管多余面积计算式中则是采用接管有效厚度。
如前所述,接管厚度附加量在设备使用一定时间
作者简介:
陆英(1976—),女,江苏常州人,本科学历,工
程师。在常州市乐萌压力容器有限公司主要从事压力容器设计和
制造工作。
- 6 -
论文广场
后,已不存在,所以计算接管有效补强高度及接
管补强面积时,应采用接管有效厚度,而不能采
用接管名义厚度。
根据上述分析,在接管厚度附加量比较大的
情况下,按照GB 150.3-2011标准计算开孔补强满
足要求,如果扣除接管厚度附加量后进行计算,
则不一定满足开孔补强要求。下面以一台氯气缓
冲罐的开孔补强计算加以对比说明。
3 接管厚度附加量对氯气缓冲罐接管开孔补强计算
结果的影响
3.1 设备结构及设计参数
一台氯气缓冲罐,直径为φ1600 mm,壳体壁
厚14 mm,进气管直径为φ273,厚度δ=12mm,
壳体材质为Q345R,材料标准为GB713-2014;接
管材质为20
#
钢,材料标准为GB9948-2013。设备
结构及尺寸见图1,设备的设计参数见表1。
表1 设备设计参数
名称单位参数
设计压力MPa1.6
工作压力MPa1.5
设计温度℃50
壳体材料Q345R
焊接接头系数1.0
介质氯气
腐蚀裕量mm3
接管材料20
安全阀整定压力MPa1.68
计算压力MPa1.7
3.2 氯气缓冲罐进气口接管的开孔补强计算
分析该开孔结构,筒体上的开孔参数符合GB
150.3-2011标准第6.1.1条等面积法的规定,所以按
等面积法进行补强计算。计算过程如下:
3.2.1 按GB150.3-2011标准进行计算
(1)筒体有效厚度:
δ
e
=δ
n
-C=14-(0.3+3)=10.7 mm
(2)筒体计算厚度:δ=7.2 mm
(3)接管有效厚度:
δ
et
=δ
nt
-C=12-(1.5+3)=7.5 mm
(厚度附加量C是指接管壁厚的负偏差C
1
与接
管壁厚的腐蚀裕量C
2
之和)
石油和化工设备
2017年第20卷
图1 氯气缓冲罐结构及尺寸
(4)接管计算厚度:δn=1.42 mm
(5)接管开孔补强计算直径:
d
op
=249+2(1.5+3)=258 mm
其中:1.5 mm为接管壁厚负偏差,按接管厚
度的12.5%计算。
(6)接管强度削弱系数:
fr=150/189=0.79
(7)筒体开孔所需补强面积:
A=dop
δ+2δδ
et
(1-f
r
)
=258×7.2+2×7.2×7.5×(1-0.79)
=1880 mm
2
(8)有效补强宽度:
B=max(2d
op
, d
op
+2δ
n
+2δ
nt
)
=max(2×258, 258+2×14+2×12)
=516 mm
(9)接管外伸段有效高度:
h1=min(
√
d
op
δ
n
, 接管实际外伸高度)
= min(55.6, 120)
=55.6 mm
第7期 陆英 开孔补强计算时接管厚度附加量对计算结果的影响
- 7 -
(10)接管内伸段有效高度:
h
2
=min(
√
d
op
δ
n
, 接管实际内伸高度)
= min(55.6, 60)=55.6 mm
(11)壳体多余金属面积:
A
1
=(B-d
op
)(δ
e
-δ)-2δ
et
(δ
e
-δ)(1-f
r
)
=(516-258)×(10.7-7.2)-2×7.5×(10.7-7.2)×(1-
0.79)
=891 mm
2
(12)接管多余金属面积:
A
2
=2h
1
(δ
et
-δ
t
)f
r
+2h
2
(δ
et
-C
2
)f
r
=2×55.6×(7.5-1.43)×0.79+2×55.6×(7.5-
3)×0.79
=929 mm
2
(13)补强焊缝金属面积:A3=120 mm
2
(14)补强面积之和:
ΣA=A
1
+A
2
+A
3
=891+929+120=1940 mm
2
因为ΣA =1940 mm
2
>A =1880 mm
2
,所以满
足补强要求。
3.2.2 扣除接管壁厚附加厚度后进行计算
扣除接管壁厚的附加厚度后,接管有效厚度
δ
et
=7.5 mm;
(1)接管外伸段有效高度:h1'=44.0 mm(接管
实际外伸高度为120 mm);
(2)接管内伸段有效高度:h2'=34.1 mm(接管
实际内伸高度为60mm);
(3)接管多余金属面积:
A
2
'=2h
1
'(δ
et
-δ
t
)f
r
+2h
2
'(δ
et
-C
2
)f
r
=2×44×(7.5-1.42)×0.79+2×34.1(7.5-
3)×0.79
=665 mm
2
壳体多余金属面积同上述计算值A
1
=891 mm
2
(4)补强面积之和:
ΣA'=A
1
+A
2
'+A
3
=891+665+120
=1676 mm
2
因为ΣA'=1676 mm
2
<A=1880 mm
2
,所以不
满足补强要求,需增加接管壁厚或补强圈,才能
满足开孔补强要求。
由上述计算结果对比可知,氯气缓冲罐进口
接管按GB 150.3-2011计算满足开孔补强要求,而
当所有参数不变时,扣除接管厚度附加量后,计
算结果不能满足强度要求,需增加接管壁厚或另
加补强圈。
4 结束语
压力容器接管开孔后,需要进行补强计算,
以满足强度要求,GB 150.3-2011标准,等面积
开孔补强计算中,接管有效补强高度计算式中采
用接管名义厚度,没有扣除壁厚附加量,导致接
管补强面积大于按接管有效厚度计算的补强面
积。在接管厚度附加量比较大的情况下,按照
GB150.3-2011标准计算开孔补强满足要求,如果
扣除接管厚度附加量后进行计算,则不一定满足
开孔补强要求。
从对一台氯气缓冲罐进气接管的开孔补强计
算实例的结果对比可知,按GB 150.3-2011计算满
足开孔补强要求,而当所有参数不变时,扣除接
管厚度附加量后,计算结果不能满足强度要求。
由于接管厚度附加量不能计入强度计算中,
如美国ASME第Ⅷ卷-第一册UG-36(C)已完工的开孔
强度及设计章节中,明确指出:“本节及以下各节
中所指尺寸都为扣除材料腐蚀裕量后完工的结构尺
寸”,另外欧盟压力容器标准EN 13445中也有相关
规定。因此,建议
GB 150.3-2011标准中,开孔补强
计算以接管有效厚度作为计算依据。
◆参考文献
[1] 朱国庆. 压力容器设计中开孔补强设计的应用分析[J].现代
制造技术与装备,2016,(12):67-68.
[2] 张峰. 压力容器开孔补强中分析法、等面积法及压力面积
法的对照[J].石油和化工设备,2016,19(11):13-15.
[3] 李世玉,寿比南,桑如苞,等. 压力容器设计工程师培训
教程[M].北京:新华出版社,2005.
[4] GB 150.3-2011
[5] HG/T 20582-2011
,压力容器第3部分:设计[S].
[6] JB 4732-2005,钢制压力容器
,钢制化工容器强度计算规定
-分析设计标准(2005
[S].
年确认
版)[S].
[7] ASME锅炉及压力容器委员会压力容器分委员会. ASME
锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第一册压力容器建造规则[M].北
京:中国石化出版社,2003.
[8] AD2000-Merkblatt B9,德国压力容器规范[S].
收稿日期:2017-04-10;修回日期:2017-05-31
2024年3月30日发(作者:瞿姝)
第7期
- 5 -
论 文 广 场
开孔补强计算时接管厚度附加量对计算结果
的影响
陆英
(常州市乐萌压力容器有限公司,江苏 常州 213138)
[摘 要] 国内外大多数压力容器设计标准规范中开孔补强计算是以有效厚度进行计算的,但GB 150.3-2011标准中计算外伸、
内伸接管有效补强高度时,是以接管名义厚度计算的,由于名义厚度中包含了厚度附加量,不符合强度计算理论。通过对一
台氯气缓冲罐接管开孔补强计算进行对比说明,按GB 150.3-2011标准计算开孔补强满足强度要求,如采用接管有效厚度进行
计算,则不能满足强度要求,建议GB 150.3-2011标准中开孔补强计算以接管有效厚度作为计算依据。
[关键词] 接管开孔补强;接管有效厚度;接管有效补强高度;接管厚度附加量
压力容器根据操作工艺要求,需要在壳体上
开设各种规格的管口。容器壳体开孔后,因承载
面积的减少及结构不连续,而引起应力集中,使
开孔边缘应力增大且强度受到削弱,所以需要对
接管开孔进行补强计算,保证接管开孔部位满足
强度要求。接管开孔补强计算是压力容器设计过
程中的一项重要内容。
1 开孔补强的原理及计算方法
压力容器受到介质压力作用后,壳体承受薄
膜应力。当在壳体上开孔后,既减少了壳体的承
载面积而使应力增加,又由于开孔引起结构不连
续,导致开孔部位应力集中
[1]
。由此可知,壳体开
孔后将使开孔部位强度削弱。为了保证壳体承载
能力不因开孔削弱而降低,需在开孔边缘附近增
加相应的承载金属面积,以满足强度要求。
满足开孔补强的强度条件是开孔边缘区域内
的应力在许用范围内,需要通过开孔补强计算,
确定开孔区域是否满足强度要求。开孔补强计算
方法有等面积法、压力面积法、应力分析法及有
限元分析法
[2]
,最常用方法是等面积法,等面积法
是壳体开孔所需补强面积等于因开孔而削弱的面
积。采用等面积补强计算时,壳体开孔所需补强
面积是壳体计算厚度与开孔直径乘积
[3]
,在有效补
强范围内补强截面积包括壳体多余面积、接管多
余面积、补强区域内焊缝面积以及另加补强金属
面积。
由于介质的腐蚀作用,通常压力容器都设有
一定的腐蚀裕量,并且还考虑壳体与接管的厚度
负偏差和加工减薄量。厚度负偏差、加工减薄量
与腐蚀裕量,在设备成形及设备使用过程中被介
质腐蚀后,上述的厚度负偏差、加工减薄量与腐
蚀裕量已不存在。所以在强度计算时,只能以壳
体及接管的有效厚度作为计算依据。
2 压力容器设计标准规范中补强计算
涉及压力容器开孔补强计算的国内设计标准
规范有:GB 150.3-2011《压力容器 第3部分:设
计》
[4]
第6章,HG/T 20582-2011《钢制化工容器强
度计算规定》
[5]
第6、7章开孔补强计算,JB 4732-
1995《钢制压力容器-分析设计标准》(2005年确
认版)
[6]
第10章开孔和开孔补强;国外设计规范有
ASME锅炉及压力容器规范国际性规范第Ⅷ卷第一
册UG-36(C)章
[7]
和AD2000-Merkblatt B9规范
[8]
等。
在上述设计标准规范中,开孔补强计算,所
采用壳体厚度,均为扣除厚度附加量后的有效厚
度,而计算接管外伸、内伸有效补强高度除GB
150.3-2011标准外,均以扣除厚度附加量后的接管
有效厚度作为计算依据。
GB 150.3-2011标准中,接管外伸、内伸有
效补强高度的计算式中是采用接管名义厚度,而
接管多余面积计算式中则是采用接管有效厚度。
如前所述,接管厚度附加量在设备使用一定时间
作者简介:
陆英(1976—),女,江苏常州人,本科学历,工
程师。在常州市乐萌压力容器有限公司主要从事压力容器设计和
制造工作。
- 6 -
论文广场
后,已不存在,所以计算接管有效补强高度及接
管补强面积时,应采用接管有效厚度,而不能采
用接管名义厚度。
根据上述分析,在接管厚度附加量比较大的
情况下,按照GB 150.3-2011标准计算开孔补强满
足要求,如果扣除接管厚度附加量后进行计算,
则不一定满足开孔补强要求。下面以一台氯气缓
冲罐的开孔补强计算加以对比说明。
3 接管厚度附加量对氯气缓冲罐接管开孔补强计算
结果的影响
3.1 设备结构及设计参数
一台氯气缓冲罐,直径为φ1600 mm,壳体壁
厚14 mm,进气管直径为φ273,厚度δ=12mm,
壳体材质为Q345R,材料标准为GB713-2014;接
管材质为20
#
钢,材料标准为GB9948-2013。设备
结构及尺寸见图1,设备的设计参数见表1。
表1 设备设计参数
名称单位参数
设计压力MPa1.6
工作压力MPa1.5
设计温度℃50
壳体材料Q345R
焊接接头系数1.0
介质氯气
腐蚀裕量mm3
接管材料20
安全阀整定压力MPa1.68
计算压力MPa1.7
3.2 氯气缓冲罐进气口接管的开孔补强计算
分析该开孔结构,筒体上的开孔参数符合GB
150.3-2011标准第6.1.1条等面积法的规定,所以按
等面积法进行补强计算。计算过程如下:
3.2.1 按GB150.3-2011标准进行计算
(1)筒体有效厚度:
δ
e
=δ
n
-C=14-(0.3+3)=10.7 mm
(2)筒体计算厚度:δ=7.2 mm
(3)接管有效厚度:
δ
et
=δ
nt
-C=12-(1.5+3)=7.5 mm
(厚度附加量C是指接管壁厚的负偏差C
1
与接
管壁厚的腐蚀裕量C
2
之和)
石油和化工设备
2017年第20卷
图1 氯气缓冲罐结构及尺寸
(4)接管计算厚度:δn=1.42 mm
(5)接管开孔补强计算直径:
d
op
=249+2(1.5+3)=258 mm
其中:1.5 mm为接管壁厚负偏差,按接管厚
度的12.5%计算。
(6)接管强度削弱系数:
fr=150/189=0.79
(7)筒体开孔所需补强面积:
A=dop
δ+2δδ
et
(1-f
r
)
=258×7.2+2×7.2×7.5×(1-0.79)
=1880 mm
2
(8)有效补强宽度:
B=max(2d
op
, d
op
+2δ
n
+2δ
nt
)
=max(2×258, 258+2×14+2×12)
=516 mm
(9)接管外伸段有效高度:
h1=min(
√
d
op
δ
n
, 接管实际外伸高度)
= min(55.6, 120)
=55.6 mm
第7期 陆英 开孔补强计算时接管厚度附加量对计算结果的影响
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(10)接管内伸段有效高度:
h
2
=min(
√
d
op
δ
n
, 接管实际内伸高度)
= min(55.6, 60)=55.6 mm
(11)壳体多余金属面积:
A
1
=(B-d
op
)(δ
e
-δ)-2δ
et
(δ
e
-δ)(1-f
r
)
=(516-258)×(10.7-7.2)-2×7.5×(10.7-7.2)×(1-
0.79)
=891 mm
2
(12)接管多余金属面积:
A
2
=2h
1
(δ
et
-δ
t
)f
r
+2h
2
(δ
et
-C
2
)f
r
=2×55.6×(7.5-1.43)×0.79+2×55.6×(7.5-
3)×0.79
=929 mm
2
(13)补强焊缝金属面积:A3=120 mm
2
(14)补强面积之和:
ΣA=A
1
+A
2
+A
3
=891+929+120=1940 mm
2
因为ΣA =1940 mm
2
>A =1880 mm
2
,所以满
足补强要求。
3.2.2 扣除接管壁厚附加厚度后进行计算
扣除接管壁厚的附加厚度后,接管有效厚度
δ
et
=7.5 mm;
(1)接管外伸段有效高度:h1'=44.0 mm(接管
实际外伸高度为120 mm);
(2)接管内伸段有效高度:h2'=34.1 mm(接管
实际内伸高度为60mm);
(3)接管多余金属面积:
A
2
'=2h
1
'(δ
et
-δ
t
)f
r
+2h
2
'(δ
et
-C
2
)f
r
=2×44×(7.5-1.42)×0.79+2×34.1(7.5-
3)×0.79
=665 mm
2
壳体多余金属面积同上述计算值A
1
=891 mm
2
(4)补强面积之和:
ΣA'=A
1
+A
2
'+A
3
=891+665+120
=1676 mm
2
因为ΣA'=1676 mm
2
<A=1880 mm
2
,所以不
满足补强要求,需增加接管壁厚或补强圈,才能
满足开孔补强要求。
由上述计算结果对比可知,氯气缓冲罐进口
接管按GB 150.3-2011计算满足开孔补强要求,而
当所有参数不变时,扣除接管厚度附加量后,计
算结果不能满足强度要求,需增加接管壁厚或另
加补强圈。
4 结束语
压力容器接管开孔后,需要进行补强计算,
以满足强度要求,GB 150.3-2011标准,等面积
开孔补强计算中,接管有效补强高度计算式中采
用接管名义厚度,没有扣除壁厚附加量,导致接
管补强面积大于按接管有效厚度计算的补强面
积。在接管厚度附加量比较大的情况下,按照
GB150.3-2011标准计算开孔补强满足要求,如果
扣除接管厚度附加量后进行计算,则不一定满足
开孔补强要求。
从对一台氯气缓冲罐进气接管的开孔补强计
算实例的结果对比可知,按GB 150.3-2011计算满
足开孔补强要求,而当所有参数不变时,扣除接
管厚度附加量后,计算结果不能满足强度要求。
由于接管厚度附加量不能计入强度计算中,
如美国ASME第Ⅷ卷-第一册UG-36(C)已完工的开孔
强度及设计章节中,明确指出:“本节及以下各节
中所指尺寸都为扣除材料腐蚀裕量后完工的结构尺
寸”,另外欧盟压力容器标准EN 13445中也有相关
规定。因此,建议
GB 150.3-2011标准中,开孔补强
计算以接管有效厚度作为计算依据。
◆参考文献
[1] 朱国庆. 压力容器设计中开孔补强设计的应用分析[J].现代
制造技术与装备,2016,(12):67-68.
[2] 张峰. 压力容器开孔补强中分析法、等面积法及压力面积
法的对照[J].石油和化工设备,2016,19(11):13-15.
[3] 李世玉,寿比南,桑如苞,等. 压力容器设计工程师培训
教程[M].北京:新华出版社,2005.
[4] GB 150.3-2011
[5] HG/T 20582-2011
,压力容器第3部分:设计[S].
[6] JB 4732-2005,钢制压力容器
,钢制化工容器强度计算规定
-分析设计标准(2005
[S].
年确认
版)[S].
[7] ASME锅炉及压力容器委员会压力容器分委员会. ASME
锅炉及压力容器规范第Ⅷ卷第一册压力容器建造规则[M].北
京:中国石化出版社,2003.
[8] AD2000-Merkblatt B9,德国压力容器规范[S].
收稿日期:2017-04-10;修回日期:2017-05-31