压力容器压力面积法与分析法大开孔补强的设计比较

2014-05-29杨心理

化工机械 2014年2期

关键词：筒节人孔筒体

张涛李娟杨心理

(1.大庆石化工程有限公司；2.大庆油田化工集团东昊公司油气处理分公司)

符号说明

Afp——接管上开孔区有效承压金属面积，mm2；

Afs——壳体上开孔区有效承压金属面积，mm2；

Afw——补强连接处凸出壳体表面的焊接接头金属面积，mm2；

Apb——补强有效范围内接管内的压力面积，mm2；

Aps——补强有效范围内壳体内的压力面积，mm2；

D——圆筒中面直径，mm；

Di——壳体内径，mm；

di——开孔处的接管内径，mm；

K——等效总应力集中系数；

Km——等效薄膜应力集中系数；

nⅡ——等效薄膜应力校核系数；

nⅣ——等效总应力校核系数；

p——设计压力，MPa；

SⅡ——等效薄膜应力，MPa；

SⅣ——等效总应力，MPa；

δe——壳体开孔处的有效厚度，mm；

ρ——开孔率；

[σ]b——接管材料许用应力，MPa；

[σ]p——补强圈材料许用应力，MPa；

[σ]s——壳体材料许用应力，MPa；

[σ]t——设计温度下壳体材料的许用应力，MPa。

压力容器开孔补强分析法是GB 150.3-2011《压力容器第3部分：设计》中的新增内容[1]，它是我国力学研究者多年的研究结果，指出开孔率ρ≤0.9；按HG/T 20582-2011规定的压力面积法，圆筒壳体上采用接管补强的开孔，其开孔处的内径di与壳体内径Di之比di/Di≤1.0[2]。这两种补强方法均极大地拓展了开孔补强的适用范围，方便了设计者计算，但两者也有许多不同点。笔者将结合实例，对该两种补强方法进行比较。

1 容器设计参数

某装置有一立式容器，内径1 300mm，筒体长度4 150mm，设计压力2.16MPa，设计温度240℃，壳体材料为Q345R，腐蚀裕量为3mm。筒体上有一DN600mm的人孔，人孔筒节材料为Q345R。按GB 150-2011计算，筒体名义厚度取14mm，人孔开孔最大直径已超出了等面积法的适用范围，但符合压力面积法和分析法的适用条件。

2 压力容器的开孔补强方法

2.1 压力面积法

按压力面积法，人孔筒节为φ630mm×16mm[3]，加补强圈φ840mm×14mm，对于接管和补强圈应满足：

(Afs+Afw)([σ]s-0.5p)+Afp([σ]p-0.5p)+

Afp([σ]b-0.5p)≥p(Aps+Apb)

(1)

经计算：

(Afs+Afw)([σ]s-0.5p)+Afp([σ]p-0.5p)+

Afp([σ]b-0.5p)=1404862N

p(Aps+Apb)=1365934N

可知，接管和补强圈满足式(1)的要求，并且补强面积裕量为：

2.2 分析法

经计算，人孔筒节需改为φ648mm×24mm，筒节长度至少为130mm，且开孔处筒体局部需将名义厚度改为18mm，需加厚的筒体长度至少为960mm。

2.2.1等效薄膜应力的计算

等效薄膜应力的计算式为：

(2)

SⅡ≤nⅡ[σ]t

(3)

等效薄膜应力许用值nⅡ[σ]t=351.12MPa，故计算合格。

设计裕量为：

2.2.2等效总应力的计算

等效总应力计算式为：

(4)

SⅣ≤nⅣ[σ]t

(5)

等效总应力许用值nⅣ[σ]t=414.96MPa，故计算合格。

设计裕量为：

3 两种补强方法的对比

从以上计算可以看出，在两种补强方法裕量相差不大的情况下，用压力面积法仅需加补强圈，补强圈质量为47kg；用分析法补强时，需同时加厚人孔筒节与设备筒体，加厚部分质量约为140kg。

同时，两种补强方法均对制造提出了一些特殊要求，例如：接管或补强件与壳体应采用全焊透结构；接管与壳体连接内外壁应圆滑过渡；补强范围内的A、B类焊接接头应无损检测合格；接管有效厚度与壳体有效厚度之比有限制；接管、壳体、补强件材料屈强比不应太高(压力面积法屈强比不大于0.68，分析法屈强比不大于0.80)。

两种补强方法的不同之处在于，压力面积法明确地提出应避免采用标准常温抗拉强度下限值大于540MPa的材料，如若采用，需在设计及检验等方面作特殊考虑。另外，压力面积法按HG/T 20582-2011规定限制较多。