开孔补强计算过程中有效补强宽度对计算结果的影响分析

论文广场

石油和化工设备2019年第22卷

开孔补强计算过程中有效补强宽度对计算结果

的影响分析

黄亚鹏

（山西阳煤化工工程有限公司， 山西 太原 030021）

[摘 要] 本文通过原理分析和举例计算，说明了压力容器开孔补强计算时有效补强宽度B对实际开孔计算的影响，以及在设计中应考虑的问题。

[关键词] 压力容器；开孔补强；等面积补强法；有效宽度

由于工艺与结构上的要求，不可避免地要在容器壳体上开孔并安放接管。开孔后除削弱器壁强度外，在开孔连接处，因结构连续性被破坏，造成很高的局部应力，对容器本体带来安全隐患，因此压力容器设计必须充分考虑开孔的补强问题[1]。在实际工作过程中，发现换热器结构设计中，管箱筒体在开孔计算时，筒节长度不能完全满足有效开孔宽度要求，且在应用SW6计算软件进行计算中存在一些需要注意的事项，现就有关问题展开讨论。1 等面积开孔补强原则

从补强角度讲，壳体由于开孔丧失的拉伸承载面积应在孔边有效补强范围内等面积地进行补强。当补强材料与壳体材料相同时，所需补强面积就与壳体开孔削弱的强度面积相等，俗称等面积法。无限大平板开小孔，是容器壳体进行等面积补强的力学基础。

等面积补强法是以补偿开孔局部截面的拉伸强度作为补强准则的，为此该补强只涉及静力强度问题。此方法对开孔边缘的峰值应力问题未加考虑，为此该方法不适用于疲劳容器的开孔补强[2]。2 有效补强范围

开孔所需补强面积应在有效补强范围内补强。有效补强范围分为两个方向：

(1)沿被开孔壳体的经线方向（即有效补强宽度B的方向）；

(2)沿接管的轴线方向（即有效补强高度h的方向）。

现只就有效补强宽度B讨论。沿经线方向的补强宽度是根据力学意义为开小孔的大平板，孔边局部应力集中的衰减范围确定的[3]。GB/150中规定此范围为B=2d[4]。3 举例计算

现对一台实际工作中设计的换热器前端管箱，进行验算，条件参数见表1，示意图见图1。

表1 换热器管程条件参数

设计压力设计温度壳体参数接管参数 (a)

2.4MPa180℃

DN1000×16/Q245R，L=420DN250/20Ⅱ，φ285×14

图1 换热器前端管箱示意图

作者简介：黄亚鹏（1991—），男，山西运城人，本科学历，助

理工程师。主要从事压力容器设计工作。

第9期 黄亚鹏 开孔补强计算过程中有效补强宽度对计算结果的影响分析

- 49 -

3.1 未考虑实际筒体长度L=420＜有效补强宽度B=2d（d为开孔内直径）=514时的计算结果（计算过程不做演示，现用SW6-2011直接演算结果）：见图2。

图2 未考虑实际筒节尺寸L<有效补强宽度B的计算结果

3.2 考虑到实际筒体长度L=420＜有效补强宽度B=2d（d为开孔内直径）=514时的计算结果（计算过程不做演示，现用SW6-2011直接演算结果）：见图3。

图3 考虑到实际筒节尺寸L<有效补强宽度B的计算结果

4 计算结果分析

针对上述计算举例的分析比较，可以发现：在现有的SW6-2011计算软件中，即使筒体数据中输入的筒体长度L=420，系统默认的开孔补强宽度B依然为2d。当发生B＞L时，很可能导致计算得出开孔补强满足要求，结果显示合格；但是当输入合理的B值之后，发现开孔补强还远远不够的情况。因此，在碰到类似的设计时，应合理地确定补强宽度B的取值，考虑开孔周边的壳体能否提供足够的2d范围（即2d范围内无其他开孔，能够为

开孔补强提供补强面积）。

◆参考文献

[1] 郑津洋等. 过程设备设计（第三版）[M].北京：化学工业出版社，2010.

[2] 全国压力容器标准化技术委员会. GB150-2011《压力容器》标准释义[M].北京：新华出版社，2012，141-145.

[3] 李世玉主编.压力容器设计工程师培训教程[M].北京：新华出版社，2005.

[4] GB150-2011，压力容器[S].

收稿日期：2019-06-21；修回日期：2019-07-18