开孔补强设计分析法与焊制三通计算法的比较

2015-04-12徐莉萍

化工装备技术 2015年5期

周铭徐莉萍

（液化空气（杭州）有限公司)

圆柱壳开孔接管结构在内压作用下，由于主壳和支管连接处结构的几何不连续，在相贯线区域会产生很高的应力集中，尤其是开孔率较大的接管，所以寻求各种合理的设计方法，保证该部位的安全运行非常重要。本文对圆筒径向接管的开孔补强设计分析法[1]（以下简称 “开孔补强分析法”）与焊制三通计算法[2]进行了分析比较。

1 计算方法的介绍

开孔补强分析法：这是GB 150—2011《压力容器》中新增的方法，该方法是根据我国自主研发的薄壳理论解得的。该方法在应力分析的基础上提供了一种既便于应用、适用范围更广又具有必要精度的解析设计方法。它通过求解出等效的薄膜应力和总应力集中系数，采用第一强度理论周向薄膜应力的计算方法和公式，分别计算出开孔处的等效薄膜应力和等效总应力，并分别进行应力评定。其求解的精度与适用范围得到了精细网格的三维有限元解的成功验证。

焊制三通计算法：焊制三通在化工设备、化工管道以及锅炉蒸汽系统中应用相当普遍，其实质也是一种开孔结构，开孔率一般也比较大。GB/T 9222—2008《水管锅炉受压元件强度计算》[3]中对焊制三通的计算思路和开孔补强分析法相似，它是在大量的试验研究和有限元分析计算的基础上，得到计算强度减弱系数的解析式，将其代入第一强度理论周向薄膜应力的计算公式中，分别得到主管和支管的计算厚度。这种计算方法也被录入到HG/T 20582—2011《钢制化工容器强度计算规定》中，同样也能采用SW6软件计算。

两种计算方法的适用范围如表1所示。

表1 两种计算方法比较

综上所述，这两种计算方法均适用于大开孔，其设计方法都不是面积补强法，两者本质上都是通过试验和有限元分析找到开孔处的应力集中系数或强度减弱系数的计算公式，进而计算出开孔处局部应力，再进行应力评定；但开孔补强分析法基于塑性极限和安定性准则，分别计算出薄膜应力和整体应力，而焊制三通计算法采用的是弹性理论，没有对应力分类。

2 实例分析

图1 某圆筒径向接管结构

对同时满足两种计算方法适用范围的开孔结构，计算比较如下。图1所示为某圆筒径向接管结构，设计压力为3.5 MPa，设计温度100℃，腐蚀余量2.0 mm。筒体外径660 mm，筒体壁厚16 mm，材质为 Q245R；接管尺寸为 Ø406 mm×12 mm，材质Q245R，接管外伸长462 mm。开孔率ρ=d/D=0.613， di/Di=0.61≥0.5， β=Do/Di=1.051，符合两种方法的适用条件。现分别以开孔补强分析法和焊制三通计算法进行计算。

（1）开孔补强分析法。设计温度下材料许用应力 [σ]t=147 MPa，材料厚度负偏差C1t、C1为 0.3 mm。计算结果如表2所示。采用开孔补强分析法，该接管的开孔补强不满足要求。