浅谈压力容器设计中常用三种开孔补强方法的区别

赵国龙

（广西合浦南方机械设备有限公司，广西 北海536100）



浅谈压力容器设计中常用三种开孔补强方法的区别

赵国龙

（广西合浦南方机械设备有限公司，广西 北海536100）

摘要：在压力容器的设计中，对于壳体的开孔补强，常用的有等面积法、分析法和压力面积法这三种方法，从每种方法的适用范围与出处进行比较区分，以明确各种方法的应用场合及内在的区别与联系。

关键词：等面积法；分析法；压力面积法；适用范围

压力容器是承载一定压力的密闭设备，具有一定的危险性，如在设计阶段分析计算不当，就会埋下很大的安全隐患，对人民的生命财产安全造成威胁。压力容器基本上都要有开孔接管，但开孔接管处不但破坏了容器结构的连续性，削弱了容器壳体的强度，而且会产生极大地应力集中，成为疲劳破坏与脆性裂纹的根源。因此，压力容器在设计制造中对开孔进行合理的补强意义与重要性不言而喻。

本文主要从适用范围以及基本原理与出处方面对等面积法、分析法以及压力面积法进行比较，找出每种方法在应用场合方面的区别。由于绝大部分压力容器都是内压容器，采用圆筒形壳体，椭圆形封头，接管为圆形，所以本文仅讨论采用圆筒形壳体椭圆形封头的内压容器的圆形接管开孔补强计算，并假定所用材料均符合标准要求。

1　等面积补强法

等面积法的力学基础，是无限大平板开小孔，虽然压力容器的壳体开孔后的受力状态并不完全等同于大平板开圆孔，但由于在小开孔率等特定情况下，不会有很大的偏差，且此方法计算过程较为方便，并通过长期的使用经验验证其安全性，因此在工程中得到广泛的应用。

1.1单个开孔补强的等面积法

等面积法分为单个开孔补强的等面积法与多个开孔补强的等面积法，适用范围应符合GB150.3章节6.1.1的规定，具体条件如下：

（1）筒体内径D≤1500mm：开孔直径d≤D/2，且不大于520 mm，筒体内径D＞1500 mm：开孔直径d≤D/2，且不大于1000 mm；

（2）封头开孔d≤D/2.其中D为筒体内径，d为开孔直径。

单个开孔补强的等面积法还需满足GB150.3-2011章节6.3.1关于单个开孔适用范围的要求，即相邻两个开孔的中心距（以曲面弧长计算）不小于两开孔直径之和。如两开孔中心距小于两开孔直径之和，应选用联合补强方法进行计算。

1.2多个开孔补强的等面积法

当壳体上有多个开孔，且符合以下条件时，应采用联合补强：

（1）两个开孔：两个相邻开孔的中心距小于两孔直径之和，而使其补强范围重叠。

（2）三个及以上开孔：若两两相邻开孔中心距小于两孔直径之和且不小于其平均直径的4/3，则两孔之间的补强面积不小于两孔所需总补强面积的50%；若任意两孔中心距小于其平均直径的4/3，则按c方法进行补强。

（3）任何数量以任意方式排列的相邻开孔，均可作为一个直径包含所有开孔的假想孔进行补强，但此假想孔直径不得超过单孔补强法的适用范围，且所有接管金属均不得用作补强。

（3）圆筒上一系列规则排列的开孔，其每个开孔又无法进行单独补强时，应采用GB150.2-2011章节6.4.2排孔的补强要求进行计算。

2　分析法

分析法是GB150-2011新增加的计算方法，该方法的理论基础是清华大学研究组经过20多年研究而提出的，适用于圆柱壳大开孔接管的薄壳理论解，解的结果得到了前人许多实验结果与精细网格三维有限元解的验证，并得到国际同行的认可和赞赏。

使用分析法开孔率d/D最大可达0.9，但仅适用于内压作用下具有径向接管的开孔补强设计，即仅适用于筒体径向开孔，不适用于筒体非径开孔向与封头开孔。

根据GB150.3章节6.1.2的规定，分析法适用范围如下：

d≤0.9D且max［0.5，d/D］≤δet≤δe≤2

其中：D为筒体内径，d为开孔直径，δet为接管有效厚度，δe为筒体有效厚度。

3　压力面积法

HG/T 20582-2011《钢制化工容器强度计算规定》中第七章“大开孔的补强计算”提出了一种压力面积法，借鉴的是欧盟EN13445-3:2002标准的压力面积法，是从原德国AD规范中的压力面积法的基础上改进而来，并也为美国ASME所接受。HG/T 20582-2011在引用时根据我国国情相应加大了安全裕度，使用更加安全。

当压力容器中的开孔补强计算范围超出GB150的范围时，可考虑采用本方法进行分析计算，但需满足以下条件：

（1）没有或不考虑接管补强，而只考虑筒体增厚补强时，d/D≤0.5；

（2）采用补强圈补强时，d/D≤0.5；

（3）采用接管补强时，di/D≤1.0，di为接管内径。

（4）凸形封头开孔：

1）有接管补强时，接管内径di与筒体外径Do之比Do/di≤0.6；

2）采用凸缘环补强时，凸缘环的内径di与筒体外径Do之比Do/di≤0.6.

4　结束语

（1）当开孔率不大于0.5时，应优先考虑能否采用等面积法进行分析计算，等面积法是压力容器设计中计算简便、得到长期使用验证、安全裕度较大的的计算方法。但当开孔率大于1/2时，运用等面积法计算会产生较大偏差，不适用于大开孔的场合。

（2）当开孔率大于0.5时，则优先考虑新版GB150新提出的分析法，运用该方法的开孔直径与筒体内径之比d/D可达0.9，且在大开孔的情况下，分析法的安全裕度是足够的。

（3）实际上，压力面积法与等面积法的基本原理是一致的，都是基于以开孔有效补强范围内的金属面积承载能力与内压力载荷相平衡的静力平衡法。只是补强的范围两者有所不同，等面积法的补强范围不论开孔大小都在开孔2倍的区域内，因此随着开孔率的增大，计算误差也随之增大。而压力面积法的补强范围与开孔直径有关，其补强范围也与开孔应力衰减的范围相一致，因此分析比较合理，适用于大开孔的场合。

（4）虽然压力面积法可用于大开孔的分析计算，但开孔率较小时，按照压力面积法计算偏于保守，而开孔率较大时，按照压力面积法计算得到的补强又不能满足结构安定性的要求。且GB150并未收入该方法，HG/T20582中也提到本方法适用于超出GB150计算范围的开孔，意为优先考虑GB150所列的方法，所以压力面积法应放最后考虑。例如，封头上的大开孔GB150并未给出相应的分析计算方法，则可考虑按照压力面积法进行分析计算。

参考文献：

［1］GB150-2011，压力容器［S］.

［2］GB150-2011，《压力容器》标准释义［S］.

［3］HG/T 20582-2011，钢制化工容器强度计算规定［S］.

Disscusion on The Difference Between The Three Opening Reinforcement Methods in The Pressure Vessel's Design

ZHAO Guo-long
（Southern Hepu Machinery Equipment Co.，Ltd.，Beihai，Beihai Guangxi 536100，China）

Abstract：In the design of pressure vessel，the shell opening reinforcement，commonly used have equal area method，analysis method and pressure area method of these three methods，this article from the scope of application of each method comparing with reference to distinguish，in order to make clear the applications of various methods and inner differences and relations.

Key words：equal area method；analysis method；pressure area method；scope of application

中图分类号：TG441.3

文献标识码：B

文章编号：1672-545X（2016）03-0221-02

收稿日期：2015-12-03

作者简介：赵国龙（1987-），男，广西人，工科学士，助理工程师，研究方向为压力容器设计。