压力容器平盖开孔补强适用的处理方法

吴林屿，李元海，刘 娟

（杭州中泰深冷技术股份有限公司 技术中心，浙江 杭州 310000）

0 引言

对于压力容器平封头（平盖）开孔，通常采用增加平盖厚度的方法来补强，并用等面积法计算。但是在实际工程中，往往会遇到一些问题适用于增加平盖厚度进行补强方法但却又无法计算出结果的情况，如当平盖上开多个孔且0.4Di＜∑b≤0.5Di的情况。

按照GB/T 150.3-2011《压力容器 第3部分：设计》[1]第6.1.1条“等面积法适用范围”的要求，等面积法适用于压力作用下平封头上的圆形、椭圆形或长圆形开孔。而在“规范”的第6.3.4条有关“平盖开孔补强”条款只适用平盖开单个孔，且开孔直径dop≤0.5Dc（Dc取平盖计算直径，对非圆形平盖取短轴长度），这时所需最小补强面积按式（1）计算。

式中：δp为平盖计算厚度，mm。

而对dop＞0.5Do的情况，“规范”规定按照第6.5节的“反向法兰”模型来计算，也就是把平盖中心开孔接管和平盖看作整体结构或全焊透结构或是无接管的平盖。“规范”要求的适用范围“平盖危险径向截面上开孔宽度总和∑b不超过Di/2”并不准确，当0.4Di＜∑b≤0.5Di时，由于削弱系数V较大，导致K1/v＞0.5，此时已不满足GB/T150.3-2011第6.4.3条的K1/v≤0.5的要求。本文就平盖上开多个孔时的补强计算进行研究，计算表明当平盖上开多个孔，且平盖危险径向截面上开孔宽度总和大于0.4Di时，需要采用其他方法来进行的补强计算。

1 实例介绍

一台精氩分离罐主要设计数据见表1。

表1 精氩分离罐的设计条件

其结构如图1所示。

图1 精氩分离罐平盖开孔详图

该实例按照平盖上开单个孔（dop≤0.5Dc）补强计算合格，但同样等效开多个孔（满足平盖危险径向截面上开孔宽度总和不超过Dc/2，即：∑b≤0.5Dc），因平盖削弱系数的影响仍不能进行补强计算。

平盖上开单个孔（dop≤0.5Dc）[1，2]和平开多个孔[3]（平盖危险径向截面上开孔宽度总和不超过Dc/2即（∑b≤0.5Dc））两种情况分析讨论。

2 平盖上开单个孔（dop≤0.5Dc）

实例中平盖上的管口C为DN350，采用安放式接管，规格为ϕ356×13 mm，即δnt=13 mm。由于本设备主体材质为5083-O（铝合金），平盖（板材）和接管C（板材卷焊）材质也为5083-O，所以平盖和接管用铝板的负偏差C1=0 mm，腐蚀裕量C2=0 mm，进而平盖上开孔dop=356-13×2-C1-C2=330 mm，另外，由于平盖与筒体的焊接型式为单面焊带衬环（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板），所以选用GB/T150.3-2011表5-9序号7（锁底对接焊缝）的平盖型式[2]，对应结构特征系数K为0.5，且平盖计算直径Dc=Di=700 mm。

所以dop=330 mm＜0.5Dc适用于平盖开孔的等面积补强计算方法。假定平盖的厚度在80 mm～130 mm之间，查得平盖在设计温度65℃下的许用应力[σ]t=70 MPa，又因为平盖采用整张铝板切割而成，所以平盖厚度计算采用的焊接接头系数ϕ=1.0。

平盖计算厚度按式:

计算，得δp=83.67 mm

考虑到开孔补强（整体加厚平盖），所以取平盖设计厚度δn=130 mm。

此时，按式（1）开孔所需补强面积

下面计算多余补强面积，平盖多余金属面积

其中，A11=（B-dop）（δe-δ）-2δet（δe-δ）

对于安放式接管，fr=1.0

所以：

其中：B为有效补强宽度，B=max{2dop′（dop+2δn+

接管多余金属面积

式中：A21=2h1·（δet-δt）=2×65.5×（13-4.024）=1176 mm2

式中：

[σ]t=83.00 MPa（为13 mm厚5083-O板材在设计温度65℃下的许用应力）接管卷焊对接纵缝做，所以焊接接头系数ϕ=1.0。

对于安放式接管，fr=1.0，

所以，A2=A21+A22=1176 mm2

补强区内的焊缝面积A3=422 mm2

综合可得，

在有效补强范围内，可作为补强的截面积Ae=A1+A2+A3=16887 mm2

由前面计算的A=13806 mm2

所以Ae＞A，无需另加补强，即接管补强计算合格。

3 平盖上开多个孔（∑b≤0.5Di）

当平盖上开多个孔时，按照GB/T150.3-2011第6.4.3条要求“平盖危险径向截面上开孔宽度总和∑b不超过Di/2，任意相邻两孔中心距要大于两孔平均直径的1.5倍且小于或等于2倍”。“任意相邻两孔中心距要大于两孔平均直径的1.5倍且小于或等于2倍”比较容易理解在实际应用中也很容易满足。而“平盖危险径向截面上开孔宽度总和不超过Di/2”，对于采用GB/T150.3-2011中表5-9序号7（锁底对接焊缝）形式的平盖[2]，Dc=Di，也就是要求“∑b≤0.5Dc”，和本研究的平盖上开单个孔（dop≤0.5Dc）的开孔大小的含义相同，都是要求开孔直径范围要小于平盖计算直径的一半，但在具体的开孔补强计算中却有很大的不同。下面按GB/T 150.3-2011中6.4.3条的具体要求，逐步分析平盖上开多个孔时采用增加平盖厚度进行补强计算的局限性。

在计算平盖厚度时（只讨论圆形平盖），对于计算式（2）中的K值（平盖结构特征系数）选取要考虑开孔削弱的影响，并按式（3）计算开孔削弱系数。

式中，Dc为平盖计算直径（锁底对接焊缝连接结构的平盖，Dc=Di），mm；∑b为平盖危险径向截面上开孔宽度总和。

按表5-9或表5-10查取K后确定系数K1：

当K1/v≤0.5时，K1/v＞0.5时，采用其他方法计算开孔补强，如应力分析方法等。

由以上内容可以看出，虽然规范说明平盖上开多个孔时采用增加平盖厚度进行补强的方法适用于平盖危险径向截面上开孔宽度总和不大于Di/2即∑b≤0.5Di，但是上述要求若采用本法（增加平盖厚度进行平盖上开多个孔的补强计算）[2]还需满足K1/v≤0.5，也就是V≥2K1。当采用GB/T150.3-2011表5-9中锁底对接焊缝型式的平盖时，K=0.5，此时K=0.5＞0.3，所以K1=0.3。这样，削弱系数V≥2K1=0.6。

将v≥0.6与式（3）联立，则有

整理后可得，∑b≤0.4Dc，即平盖危险径向截面上开孔宽度总和不大于0.4Di。

显然，这与规范6.4.3条的适用范围（∑b≤0.5Dc）存在矛盾，当然本文讨论的仅仅是采用锁底对接焊缝型式的平盖（K=0.5），也就是K≥0.3的情况。再分析K1/v＞0.5的情况，也就是要采用其他方法计算平盖开多个孔补强的适用范围。

K1/v＞0.5，也就是：

将K1≤0.3，代入式（4）可得v＜0.6，再与式（3）联立。

综上所述，当∑b＞0.4Dc时，也就是说当平盖危险径向截面上开孔宽度总和大于0.4Dc时，就要采用其他方法来进行平盖开多个孔的补强计算。

然而，从等面积补强原理出发来考虑问题，个人认为压力容器平盖开多个孔时如果满足∑b≤0.5Dc（平盖危险径向截面上开孔宽度总和不大于0.5Dc），和任意相邻两孔中心距大于两孔平均直径的1.5倍且小于或等于2倍这个条件的话，可以按照GB/T 150.3-2011第6.4.3条进行补强计算[3]，因为平盖上无论开单个孔或是开多个孔，只开孔宽度总和相等，从等面积补强原理来看，开孔对平盖削弱的程度是相同的，而计算所需的补强截面积也是相同的。当然，此时这个条件是K1不满足的，这样就涉及如何选取K值（平盖结构特征系数）来计算平盖厚度的问题。从保守计算考虑出发，个人建议取K和0.5的较大值，因为原本是要取K1/V和K的较大值，然而从前面要求可知，K1/v≤0.5，所以K1/v≤0.5直接取K和0.5的较大值来计算平盖厚度。

4 结语

圆形平盖开单个孔（dop≤0.5Dc），采用整体加厚平盖的方法并用等面积法计算行之有效。从第3章可以看出，当平盖上开多个孔时，规范要求的适用范围“平盖危险径向截面上开孔宽度总和∑b不超Di/2过”并不准确，当0.4Di＜∑b≤0.5Di时，由于削弱系数V较大，导致K1/v＞0.5，此时已不满足GB/T150.3-2011第6.4.3条的K1/v≤0.5的要求。所以平盖上开多个孔时的适用范围应改为“平盖危险径向截面上开孔宽度总和∑b不超过0.4Di”。另外，当平盖上开多个孔时，若平盖危险径向截面上开孔宽度总和大于0.4Di时，就要采用其他方法来进行的补强计算。