基于规则设计的压力容器大开孔强度计算程序编制①

孟 岩

(沈阳鼓风机集团股份有限公司)

基于规则设计的压力容器大开孔强度计算程序编制①

孟 岩

(沈阳鼓风机集团股份有限公司)

沈阳鼓风机集团股份有限公司现有压力容器设计软件是基于GB 150标准编制的，对开孔率超出0.5的大开孔结构无法进行计算。针对此，对比研究了国外标准的规则设计法，并以此为理论基础，在Excel中编制强度计算程序。该程序共涵盖两套标准算法(ASME BPVC 2015和ΓOCT 24755)，可快速计算并进行结果对比，且已成功应用于数台大开孔结构的强度设计。

压力容器 大开孔 强度 规则设计 ASME BPVC 2015 ΓOCT 24755

压力容器的可靠运行对石化、能源、科研和军工领域都有着十分重要的意义。压力容器筒体上大开孔补强是压力容器设计的关键[1，2]。通常来讲，压力容器设计有两个途径，即规则设计(欧盟称公式设计)和分析设计。规则设计依据弹性失效准则，属于经验设计范畴，方便快捷，占主导地位，缺点是比分析设计保守[3，4]。

笔者所在公司现有的压力容器设计软件是基于GB 150标准编制的。它规定内径在1 500mm以内的容器开孔不能超过内径的一半，且同时不能超过500mm；内径超过1 500mm的容器开孔不能超过内径的1/3，且同时不能超过1 000mm[5]。随着近年来容器设备的规格逐渐增大，对外接口的直径也越来越大，这一限定已满足不了开孔的需求。

相比国内其他行业标准，JB 4732已许久未升版(目前最新的是2005年确认版)[6]，由于成文太久，安全系数太高，可参考价值不大。例如对一次膜应力校核时，要求小于0.90σs，而ASME BPVC-VIII-2015标准已更新为0.95σs[7，8]；对一次膜加弯应力校核时，根据实际膜应力值，分别要求小于1.35σs或2.15σs与1.2倍一次膜应力之差，而ASME已相应更新为1.43σs或2.43σs与1.5倍一次膜应力之差。

在查询国外标准解决方案时，除ASME标准外，笔者还在栾春远的两本著作中了解到俄罗斯压力容器国家标准，他认为该标准所载的补强面积法要优于ASME所载压力-面积应力法[9，10]。为使计算程序涵盖的理论更广泛，更具研究价值，笔者将两个标准中的公式都编入Excel中。程序中的参数形式参照ASME PTB-4-2013标准[11]中的范例格式，确保了参数输入形式的专业性。

1 ASME计算程序

1.1理论公式

根据ASME标准的规则设计步骤，并从中将厚度附加裕量提取出来，对公式进行适当变形：

a. 确定筒体有效半径。Reff=0.5(Di+2c)。

b. 计算沿筒壁的补强极限。这部分ASME分为两种计算方法，分别是整体补强接管和带补强圈的接管，这两种计算方法又针对接管嵌入式和外装式有不同的公式，根据当前结构形式选取公式LR=min[(Reff(t-c)0.5，2Rn]。

c. 计算沿接管壁的补强极限。ASME在这部分与下一步分别计算了筒体内、外表面接管壁的补强极限，根据当前结构形式选取公式，LH=min[1.5×(t-c)+(Rn×(tn-c′))0.5，Lpr1，8(t-c)]+(t-c)。

d. 计算开孔附近的可用面积。首先计算金属非线性系数和接管材料因子，λ=min[(2Rn+tn-c′)/((Di+t-c) ×(t-c))0.5，12.0]，frn=min[sn/s，1]，计算壳体贡献补强面积A1=(t-c) ×LR×max[(λ/5)0.85，1.0]，计算筒体外侧接管贡献补强面积A2=(tn-c′) ×LH，计算焊接贡献补强面积A41=0.5×L412，计算总补强面积AT=A1+frn×A2+A41。

e. 计算受力。首先计算用于力的计算的接管半径和筒体半径Rxn=(tn-c′)/ln[1+(tn-c′)/Rn]，Rxs=(t-c)/ln[1+(t-c)/Reff]，ASME标准中对偏心开孔的计算，体现在开孔处弦长公式上，为计算弦长公式，先计算夹角。在计算程序中设置了条件判别，通过识别偏心开孔的偏心距取值来进行公式筛选，θ1=arccos[Dx/Reff]，θ2=arccos[(Dx+Rn)/Reff]；计算开孔处长弦半径，当Dx=0时，Rnc=Rn，否则，Rnc=max[Reff×(θ1-θ2)/2，Rn]，计算筒体外侧接管受内压作用力fN=p×Rxn×LH，计算筒体受内压作用力fS=p×Rxs×(LR+tn-c′)，计算内压引起的不连续力fY=p×Rxs×Rnc。

f. 计算膜应力。计算开孔处平均局部主要膜应力σavg=(fN+fS+fY)/AT，计算开孔处总体主要膜应力σcirc=p×Rxs/(t-c)，计算最大局部主要膜应力PL=max[(2×σavg-σcirc)，σcirc]。

g. 结果评定。首先计算接管口局部许用膜应力Sallow=1.5×S×E，所计算的最大局部主要膜应力需满足PL≤Sallow。

ASME标准中的符号说明如下：

A1——壳体贡献补强面积；

A2——筒体外侧接管贡献补强面积；

A41——焊接贡献补强面积；

AT——开孔附近的可用总面积；

c——筒体壁厚附加量；

c′——接管壁厚附加量；

Di——筒体内径；

Dx——偏心开孔偏心距；

E——焊接强度系数；

frn——接管材料因子；

fN——筒体外侧接管受内压作用力；

fS——筒体受内压作用力；

fY——内压引起的不连续力；

L41——接管与筒体间焊脚长度；

Lpr1——筒体外侧的接管长度；

LR——沿筒壁的补强极限；

LH——沿接管壁的补强极限；

p——计算压力；

PL——最大局部主要膜应力；

Reff——筒体有效半径；

Rn——接管内半径；

Rnc——开孔处长弦半径；

Rxn——用于力的计算的接管半径；

Rxs——用于力的计算的筒体半径；

s——计算温度下筒体材料许用应力；

sn——计算温度下接管材料许用应力；

Sallow——接管口局部许用膜应力；

t——筒体名义壁厚；

tn——接管名义壁厚；

θ1——偏心开孔时角一；

θ2——偏心开孔时角二；

λ——金属的非线性系数；

σavg——平均局部主要膜应力；

σcirc——总体主要膜应力。

1.2程序编制

应用Excel软件编制程序界面，使用者在黄色区域输入设计参数后，计算结果便会立刻在结 论区显示出来。当结果满足要求时，效果如图1所示，在最底行显示出绿色和“满足标准要求”的黑色加粗字体；当结果不满足要求时，效果如图2所示，在最底行显示出红色和“不满足标准要求”的黑色加粗字体。

图1 结果满足要求时的界面

图2 结果不满足要求时的界面

2 ΓOCT 24755计算程序

2.1理论公式

俄罗斯联邦国家标准ΓOCT 24755计算步骤如下：

a. 计算壁厚。筒体的计算壁厚计算式为sp=p×Dp/(2×[σ] ×φ-p)，无论对受内压，还是受外压的接管，其计算壁厚s1p=p(d+2×cs)/(2×[σ]1×φ1-p)。

b. 计算接管长度。标准中给出了参与开孔补强接管在壳体内、外侧的计算长度公式，根据当前结构形式选取公式l1p=min{l1；1.25[(d+2cs)×(s1-cs)]0.5}。

c. 计算宽度。在圆筒、锥壳过渡段和封头上补强区域的宽度L0=(Dp(s-c))0.5。

d. 计算许用应力比。接管外侧部分的许用应力比χ1=min{1.0；[σ]1/[σ]}。

e. 不要求补强的开孔计算直径。这是该标准的一项独特技术，在没有多余壁厚的条件下，当开孔尺寸小于这一计算值时，开孔不需要进行补强计算，不要求补强的开孔计算直径d0p=0.4×(Dp(s-c))0.5。

f. 不要求补强的单个开孔计算直径。如果相邻两个接管外表面之间的距离满足计算宽度之和，则该标准认为两个开孔彼此不产生影响，认为可按照单个开孔的计算式进行后续计算。笔者所在公司的容器开孔在同一内径的圆筒上，故这个距离小于两倍的计算宽度就认为可按照单开孔进行后续相应计算，条件式为b≥2×(Dp(s-c))0.5，在容器存在多余壁厚的条件下，不要求额外补强的单个开孔计算直径d0=2×[(s-c)/sp-0.8] ×(Dp(s-c))0.5，当单个开孔的计算直径小于d0时，则后续的开孔补强计算不必进行。

g. 计算补强面积。采用增加容器或接管壁厚，或采用补强圈，或采用折边式嵌入环，或采用在开孔处壳体翻边等补强结构时，均按以下计算式计算，当前结构状态所能贡献的补强面积为lip×(s1-s1p-cs) ×χ1+L0×(s-sp-c)，当前结构所需补强面积为0.5×(dp-d0p) ×sp，其中dp包含径向开孔和偏心开孔(在该标准中称为切向开孔)，dp=max{d；0.5t}+2×cs。

h. 结果评定。要满足补强合格条件，贡献补强面积需要不小于所需补强面积，即补强面积要有裕量，即lip×(s1-s1p-cs) ×χ1+L0×(s-sp-c)-0.5×(dp-d0p) ×sp≥0。

俄罗斯联邦国家标准中的符号说明如下：

b——两接管外表面间的最近距离；

c——筒体壁厚总附加量；

cs——接管壁厚总附加量；

d——接管内径；

d0——不要求补强的单个开孔计算直径；

d0p——不要求补强的开孔计算直径；

dp——开孔计算直径；

Dp——筒体内径；

l1——接管名义长度；

l1p——接管计算长度；

L0——筒体补强宽度；

p——计算压力；

s——筒体名义壁厚；

sp——筒体计算壁厚；

s1——接管名义壁厚；

s1p——接管计算壁厚；

t——接管开孔处弧长；

[σ]——计算温度下筒体材料的许用应力；

[σ]1——计算温度下接管材料的许用应力；

χ1——许用应力比；

φ——筒体焊缝强度系数；

φ1——接管焊缝强度系数。

2.2程序编制

应用Excel软件编制程序界面，当结果满足要求时，效果如图3所示，在最底行显示出绿色和“满足标准要求”的黑色加粗字体；当结果不满足要求时，效果如图4所示，在最底行显示出红色和“不满足标准要求”的黑色加粗字体。

图3 结果满足要求时的界面

图4 结果不满足要求时的界面

3 对比研究

在同等设计条件下，根据俄罗斯联邦国家标准ΓOCT 24755所计算的壁厚要薄于根据ASME标准计算的壁厚，由此可认为ASME更保守，俄罗斯标准更节约材料。

在此选取一组相同设计数据，即结构尺寸、受力条件、材料及焊接工艺等完全统一。其计算结果如图5、6所示。

图5 ASME程序结果

图6 ΓOCT 24755程序结果

程序中选取恰好能通过两项标准最低限度的整数壁厚。ASME计算结果为：筒体与接管均需33mm；ΓOCT 24755计算结果为：筒体与接管均需29mm。故单纯从壁厚角度来讲，ΓOCT 24755标准要比ASME标准节约10%以上的材料资源。

4 结论

4.1为满足压力容器大开孔强度计算需求，借助国外标准规则设计方法编制Excel计算程序，使用方便，结果精确，已应用于多台压力容器大开孔结构的强度设计。

4.2程序中涵盖了ASME BPVC 2015和ΓOCT 24755两套标准，可方便对比不同标准的计算结果，使计算结果更具研究价值。

4.3通过选取一组相同设计参数来对比两个标准的计算结果，发现仅从从壁厚角度来讲ΓOCT 24755标准要比ASME标准节约10%以上的材料资源。

[1] 刘景亮，刘宝庆，陈志平，等.压力容器风险评估的技术进展及报告编制[J].化工机械，2013，40(3)：273～279.

[2] 占双林，袁玲.不同标准大开孔强度计算方法的分析比较[J].化工机械，2013，40(6)：748～752.

[3] 沈鋆，李涛.压力容器分析设计规范进展介绍与修订探讨[J].化工机械，2016，43(5)：561～566.

[4] 张倩，刘义.有限元方法在压力容器强度分析与疲劳寿命计算中的应用[J].化工机械，2016，43(4)：508～512.

[5] GB 150.1-150.4，压力容器[S].北京：中国标准出版社，2012.

[6] JB/T 4732-1995，钢制压力容器——分析设计标准(2005年确认)[S].北京：新华出版社，2007.

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[8] ASME Boiler and Pressure Vessel Code，VIII Rules for Construction of Pressure Vessels Division 2 Alternative Rules[S].New York：The American Society of Mechanical Engineers，2015.

[9] 栾春远.压力容器ANSYS分析与强度设计[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[10] 栾春远.压力容器全模型ANSYS分析与强度设计新规范[M].北京：中国水利水电出版社，2012.

[11] ASME PTB-4-2013，ASME Section VIII-Division 1 Example Problem Manual[S].New York：The American Society of Mechanical Engineers，2013.

2017-01-13)

(Continued from Page 476)

AbstractThe type test and inspection items of pressure pipes and fittings stipulated in “TSG D7002-2006 Pressure Piping Components Type Test Specification” were discussed to show that, some content descriptions of inspection items stipulated in TSG D7002-2006 Specification are ambiguous. The items listed without any explanation or paraphrases can incur divergence in correctly understanding the test and inspection items and controversy over the type test. Basing on work experiences, revision suggestions and concrete methods for test and inspection items were proposed to benefit the type test and inspection items of pressure pipes and fittings.

KeywordsTSG D7002-2006，pressure pipes and fittings, type test

ProgramsforPressureVesselswithLargeOpeningBasedonRuleDesign

MENG Yan

(ShenyangBlowerWorksGroupCorporation)

Considering the fact that GB 150 standard-based design software for pressure vessels fails to calculate the structure with large opening beyond 0.5 and through comparative study on the rule design abroad and basing on them theoretically, having strength calculation program worked out in Excel was implemented. This strength calculation program referring to ASME BPVC 2015 and ΓOCT 24755 can work quickly and compare the results simultaneously. It has been successfully applied in calculating the strength of the structure with large openings.

pressure vessel, large opening, strength, rule design, ASME BPVC 2015, ΓOCT 24755

孟岩(1980-)，高级工程师，从事离心式压缩机力学分析工作，m_sfyan@yahoo.com.。

TQ051.3

A

0254-6094(2017)05-0523-05