GB/T 150-2011中“开孔允许不另行补强”的探讨

2020-05-01那国良神华工程技术有限公司北京100011

化工设计 2020年2期

关键词：封头筒体轴线

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几乎所有国家的规范都规定了可不另行补强的最大孔径。根据《压力容器》GB/T 150-2011标准释义说明，主要有以下三点依据：

(1) 容器在设计制造中，由于各种原因，壳体或封头的有效厚度往往高于其计算厚度，厚度的增加使一次薄膜应力减小，并相应地使最大应力值降低。这种情况实际上可看做容器已经整体被加强，故不必另行补强。

(2) 容器上的开孔一般总有接管相连，其接管有效厚度也高于计算厚度，多余的金属已起补强作用，故对一定口径的开孔，可不必另行补强。

(3) 实际工程中，压力容器的应力集中系数允许≤3.0(未考虑管道外载荷等应力集中的影响)，其中应力集中系数的计算公式为：

(1)

由式(1)可知,在一定的容器直径D和壁厚S下，存在一定范围的孔径d，可使K≤3.0[1]。

1 开孔补强原理分析

峰值应力危害性在于可能导致疲劳裂纹或脆性断裂，GB/T 150-2011中仅对脆性断裂从结构上加以限制，未考虑峰值应力对疲劳裂纹的影响。

2 GB/T 150-2011中“允许不另行开孔补强”条款分析

GB/T 150-2011.3[2]中6.1.3规定，壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强(非径向位置接管开孔补强需按考虑接管中心线与筒体轴线距离限制)：

(1) 设计压力≤2.5 MPa。

(2) 两相邻开孔中心的间距(对曲面间距以弧长计算)应不小于两孔直径之和；对于3个或以上相邻开孔，任意两孔中心的间距(对曲面间距以弧长计算)应不小于两孔直径之和的2.5倍。

(3)接管外径小于或等于89 mm。

(4) 接管壁厚满足表1要求，表中接管壁厚的腐蚀余量为1mm，需要加大腐蚀余量时，应相应增加壁厚。

表1 开孔允许不另行补强的接管外径、壁厚要求 (mm)

(5)开孔不得位于A、B类焊接接头上。

(6)钢材的标准抗拉强度下限值Rm≥540 MPa时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的结构形式。

下面针对GB/T 150-2011.3中6.1.3小节的规定逐条进行分析。

(1)符合GB/T 150-2011.3中第6.1.3小节的小开孔基本满足第6.6节中分析法的适用范围，可以借鉴分析法开孔补强的校核条件来分析本条的合理性，即开孔补强强度计算需满足SⅡ≤2.2Sm；SⅣ≤2.6Sm，其中：

SⅡ=Kmσ

(2)

SⅣ=Kσ

(3)

由式(2)、(3)可知，压力容器开孔处的强度仅与系数Km(K)和开孔处壳体的计算应力强度有关，与压力容器的设计压力并无直接关系，因此本条中采用限制设计压力来判断是否需要另行开孔补强的合理性可能需要工程实践来进一步验证。

(3)由图1～4[2]可明显看出，在δet、δe、D确定的情况下，随着d/D增大，一次加二次应力强度集中系数K和一次局部薄膜应力强度集中系数Km均显著增大。

标准中通过限制“开孔允许不另行补强”的最大孔径是正确的。然而，该条款中限制条件为最大接管“外径”。根据等面积补强原理，压力容器开孔补强所补的是承载面积，其孔径应为Di-2C1-2C2，即最大内径，因此该条应结合第4条中规定的接管最小壁厚及腐蚀余量来统一分析判断。

图1 等效总应力集中系数K曲线(1)

图2 等效总应力集中系数K曲线(2)

图4 等效薄膜应力集中系数Km曲线(2)

(4)该条款中，限制了“开孔允许不另行补强”接管的最小壁厚，而并未限制δet/δe，由图1～4可查，δet/δe越小，一次加二次应力强度集中系数K和一次局部薄膜应力强度集中系数Km均会显著增大。因此，若补充限制δet/δe的范围，可能使本条规定更全面。

(5)压力容器A、B类焊接接头在焊接时可能产生缺陷，并产生焊接残余应力，使焊缝和热影响区质量和材料力学性能下降。然而，若采取可靠的焊接工艺，并进行焊后消除应力热处理，辅以适当的无损检测，则可以避免上述缺陷，但出于安全考虑，标准中规定开孔不得位于A、B类焊接接头上。

(6)钢材的标准抗拉强度下限值Rm≥540 MPa(即高强钢)属于裂纹敏感材料，采用全焊透结构，可以有效地避免因未全焊透引起的结构突变，造成局部应力集中过大，产生细微裂纹，从而引起压力容器破坏。除高强钢之外， Cr-Mo钢也属于裂纹敏感性材料,也宜采用全焊透的结构形式。

3 举例分析

Di=800，δn=7.5，dO=88.9，δnt=6，P=2.5，壳体材质为Q345R，接管材质为20Ⅱ锻件，壳体与接管腐蚀余量均取1。采用SW6-2011 v4.0进行等面积开孔补强计算，计算结果见图5。

开孔补强计算计算单位接管:N1,Φ 88.9×6计算方法: GB/T 150.3-2011等面积补强法,单孔设计条件简图计算压力 pc2.5MPa设计温度20℃壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型Q345R板材壳体开孔处焊接接头系数φ1壳体内直径 Di800mm壳体开孔处名义厚度δn7.5mm壳体厚度负偏差 C10.3mm壳体腐蚀裕量 C21mm壳体材料许用应力[σ]t189MPa接管轴线与筒体表面法线的夹角(°)0接管轴线与封头轴线的夹角(°)接管实际外伸长度100mm接管连接型式插入式接管接管实际内伸长度0mm接管焊接接头系数1接管材料名称及类型20锻件接管腐蚀裕量1mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至封头轴线的距离mm补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差 C1t0mm补强圈厚度负偏差 C1rmm接管材料许用应力[σ]t152MPa补强圈许用应力[σ]tMPa开孔补强计算非圆形开孔长直径78.9mm开孔长径与短径之比1壳体计算厚度δ5.3262mm接管计算厚度δt0.6542mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数fr0.8042开孔补强计算直径 d78.9mm补强区有效宽度 B157.8mm接管有效外伸长度 h119.862mm接管有效内伸长度 h20mm开孔削弱所需的补强面积A431mm2壳体多余金属面积 A167mm2接管多余金属面积 A2147mm2补强区内的焊缝面积 A311mm2A1+A2+A3= 225 mm2,小于A,需另加补强。补强圈面积 A40mm2A-(A1+A2+A3)206mm2结论:不合格图5 等面积补强计算结果

根据计算结果，A1+A2+A3=225mm2，小于开孔削弱所需的补强面积A=431mm2，所差补强面积与所需面积之比约为48%。为了进一步验证，按GB/T 150.3-2011中6.6节分析法进行进一步验算。

计算步骤：

查图J-2，得：

由上可见，按GB/T 150.3-2011中6.6节分析法计算得到的结果也是不合格的，该开孔可能存在风险。

对上述算例进行调整，向外增加接管壁厚至12mm，壳体厚度保持不变，重新计算，见图6。

开孔补强计算计算单位接管:N1,Φ 100.9×12计算方法:GB/T 150.3-2011等面积补强法,单孔设计条件简图计算压力 pc2.5MPa设计温度20℃壳体型式圆形筒体壳体材料名称及类型Q345R板材壳体开孔处焊接接头系数φ1壳体内直径 Di800mm壳体开孔处名义厚度δn7.5mm壳体厚度负偏差 C10.3mm壳体腐蚀裕量 C21mm壳体材料许用应力[σ]t189MPa接管轴线与筒体表面法线的夹角(°)0接管轴线与封头轴线的夹角(°)接管实际外伸长度100mm接管连接型式插入式接管接管实际内伸长度0mm接管焊接接头系数1接管材料名称及类型20锻件接管腐蚀裕量1mm补强圈材料名称凸形封头开孔中心至封头轴线的距离mm补强圈外径mm补强圈厚度mm接管厚度负偏差 C1t0mm补强圈厚度负偏差 C1rmm接管材料许用应力[σ]t152MPa补强圈许用应力[σ]tMPa开孔补强计算非圆形开孔长直径78.9mm开孔长径与短径之比1壳体计算厚度δ5.3262mm接管计算厚度δt0.6376mm补强圈强度削弱系数 frr0接管材料强度削弱系数fr0.8042开孔补强计算直径 d78.9mm补强区有效宽度 B157.8mm接管有效外伸长度 h130.77mm接管有效内伸长度 h20mm开孔削弱所需的补强面积A443mm2壳体多余金属面积 A165mm2接管多余金属面积 A2513mm2补强区内的焊缝面积 A322mm2A1+A2+A3= 601 mm2,大于A,不需另加补强。补强圈面积 A4mm2A-(A1+A2+A3)mm2结论:合格图6 调整壁厚后计算结果

调整壁厚后计算结果合格。