压力容器大开孔补强计算——等面积法、分析法和有限元应力分析法

【摘要】首先对压力容器大开孔补强计算中涉及的应力特点及强度分析进行阐述，然后将目前存在的三种主要的补强计算方法的计算原理、特点等做了详细的介绍，并对三种不同的方法的优缺点进行比较总结，从而要求设计的容器更加符合安全、经济等多方面的要求，实现优化设计的目的。

【关键词】压力容器 大开孔补强 等面积法 分析法及有限元应力分析法

在设计者设计容器及压力容器的过程中通常都需要设计计算壳体的大开孔补强，GB150-2011即钢制压力容器中规定了容器壳体开孔范围，根据壳体的内径不同，分别作了明确地规定，当内径小于1500毫米时，开孔的最大直径要小于等于二分之三的内径，且不能大于520毫米；而当其内径大于1500毫米时，开孔最大直径则应当小于等于三分之二的内径，且其直径不能大于1000毫米。本文中的容器的大开孔指的是超过以上范围的开孔。

现如今，主要是通过等面积法、分析法及有限元应力分析法三种方法计算压力容器大开孔的补强。

1 大开孔应力特点及强度分析

对压力容器的壳体做开孔后，容器开孔的边缘会形成较为复杂的应力状况，以下是对会引起的三种应力的详细描述。

1.1 局部薄膜应力

一般来说压力容器的壳体承受的都是一次总体薄膜应力，指的是它承受的薄膜应力是均匀的。而对其进行开孔后，会导致其面积的减少，即该截面的承载压力的面积减少，将会破坏其原有的均匀受力的情况，对开孔的周边其变化尤为明显，其应力会明显的增加，而对远离开孔的地方，其应力则基本不受影响。此种仅在开孔附近发生变化的应力被称为局部薄膜应力，同时若这种应力引起失效，则被称为静力强度失效。

1.2 弯曲应力

当容器开孔后，一般需要有另外的一个壳体与被开孔的容器相互贯通。即需要设置接管、人孔。两个相连通的壳体在压力的载荷作用下的直径的增大度一般来说不同，而当对其进行接管后，为了平衡、协调其不一致的变形，壳体自身通常会产生一种被称为边界内力的平衡力。这些边界内力主要是通过在开孔的边缘或者接管的端部引起二次应力从而使其两部分在连接点上的变形能够相互协调。若这种应力引起的失效，被称为塑性疲劳破坏。

1.3 峰值应力

主要是由于应力在开孔的边缘或者接管的连接处的分布范围过小或者说分布过于集中导致的应力值过高，被称为峰值应力，该种应力主要会造成疲劳破坏。

当对容器进行开孔时，虽然上述的三种应力同时存在，但是其是否会引起破坏则与其加压、卸压的循环次数也密切相关。因此，对压力容器强度的设计最重要的是考虑其会发生的破坏的形式；然后根据应力性质的不同，分别采取不同的方式计算应力值，从而使容器既符合安全标准又满足经济最大化的要求。

2 方法

2.1 等面积法

用等面积法计算补强，一般来说只涉及到补强材料的薄膜应力。用该种方法计算补强，主要考虑的是补强是否在有效的范围内，粗略的认为壳体的高应力是处在同一截面上，其忽略了开孔问题中的应力集中以及应力系数的问题。

2.2 分析法

GB150-2011中新增加分析法是根据我国自主研发的薄壳理论解得到的，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安全性，把变形协调处的应力归为等效薄膜应力，和等效总应力，然后进行计算、校核、评定。分析法适用于开孔率为0.1至0.9，大大扩展了圆柱壳开孔补强设计方法的适用范围。需要注意分析法计算的原则是，其主要应用在计算内压作用下具有平齐接管的圆筒的开孔补强上，且假定接管和壳题是一个连续的整体结构。

2.3 有限元应力分析法

该种方法主要是通过专用软件来计算，其软件主要是基于弹性应力分析以及塑性失效准则对应力进行分类设计。其方法原理是，线性化处理危险的截面，从而判断开孔附近的薄膜应力以及整个壳体的应力是否能够达到强度要求。

运用该种方法计算补强，需得注意以下几个方面：第一需要对压力容器以及其组件从理论分析、数值计算以及试验测定等几个方面进行详细的弹性应力的分析。第二对压力容器采用塑性失效准则进行强度校核。用极限载荷的方法限制一次应力，从而避免容器整体的塑性失效；用安定载荷的方法控制一次应力以及二次应力；用疲劳寿命法控制容器的总应力以及最大应力，从而防止其循环失效。第三对弹性应力进行分类，其分类准则为塑性失效准则。第四确定各类危险度不同的应力的极限值，确定其极限值符合等安全裕度原则。

3 等面积法、分析法与有限元应力分析法的比较

对于三种应力的综合考虑，等面积法中粗略的认为壳体的高应力是处在同一截面上，其忽略了开孔问题中的应力集中以及应力系数的问题，因此在设计计算开孔率较大、径厚比也比较大的压力容器的开孔问题时，其安全系数无法达到要求。将分析法用于计算带有径向内伸的接管补强时，需要忽略其接管的内伸的部分，将容器按照具有平齐的接管方式进行补强计算；同时为满足其结构的整体性，需要令补强件、接管以及补强范围内的壳体与平齐的接管采用同样的焊缝形式并且达到同样的无损检测的要求，因此会导致其设计计算的结果太过保守。而且GB150中的等面积法以及分析法均未曾考虑到峰值应力，因此都不能用来做疲劳设计；而相对来说有限元应力分析法则是以等面积法为基准，对其进行了改进与完善，在考虑三种应力的基础上，对容器的弹性应力以及塑性失效准则又进行了详细的考虑。

4 结语

对于不同的工程实例，计算补强应当认识到大开孔所引起的三种应力对于容器的影响，所以在计算时应当考虑到是否将这三种应力的影响均包括在内了。对于更准确的开孔补强计算，不能只考虑单一的一种应力，应当将薄膜应力、弯曲应力、局部薄膜应力以及二次应力等众多应力对开孔补强的影响均考虑在内。设计者必须明确地知道三种方法的不足之处，通过对三种方法的分析汇总，进行优化设计，从而使得设计出的容器更加符合经济、安全等多方面的要求。

参考文献

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[2] 桑如苞.压力容器强度设计技术分析（三）[J].石油化工设计.2007.7（1）：47—54

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