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压力容器特殊开孔结构探究

摘要:某些制冷装置用压力容器因结构设计的要求,需要设计成一种特殊的开孔结构,通过对此结构进行受力分析,发现可以采用等面积补强方法对本开孔结构进行补强计算,且计算结果偏于安全。基于等面积补强计算方法,给出了开孔补强计算公式,并提出此开孔结构在设计、制造方面需注意的要点。

关键词:压力容器;特殊开孔;开孔补强;计算方法;等面积补强法;制冷装置

压力容器用于原料储存、热量交换、物质传递及化学反应等场合。因此,需要在压力容器的壳体上开孔,安装用于物料输送、参数测量和检修的接管。在压力容器壳体上开孔后,不但削弱了壳体的强度,而且由于开孔部位结构具有不连续性,使开孔附近应力增大,产生应力集中,加上压力载荷、温度载荷和来自接管的外部载荷,同时,接管与壳体连接的接头可能存在缺陷,因此开孔部位通常成为压力容器的破坏源。根据弹性力学计算可知,开孔部位的应力集中具有局限性,离开孔位置越远,应力越小,应力集中的作用范围是dδ%姨(其中,d为壳体直径,δ为壳体壁厚)[1]。为防止压力容器在开孔处发生强度破坏,需要在开孔边缘进行补强设计。

1开孔补强计算方法

文献[2]介绍了等面积补强法、极限分析补强法和安定性分析补强法。等面积补强的基本原理是补强金属面积不小于被削弱的金属面积,补强后的应力集中系数在1.5~3.0之间,强度安全系数可达到4~5;极限分析补强法也称弹性失效补强法,是以极限分析为设计基础的开孔补强计算方法,补强后的应力集中系数等于2.25,最大应力强度系数可达2.25;安定性分析补强法也称弹塑性失效补强法,它允许补强后的容器在开孔附近出现塑性变形,但在后续加载过程中不能产生新的塑性变形,补强后的应力集中系数等于3,最大应力强度系数可达3。极限分析补强法和安定性分析补强法都不能用于高循环载荷压力容器,且必须采用整体补强结构。文献[3]介绍了等面积补强法、压力面积补强法和开孔补强的另一方法。压力面积补强法的原理是容器壳体的有效补强面积与该材料许用应力的乘积不小于有效补强范围内的压力作用面积与压力的乘积,其适用的最大开孔率为0.8,比等面积补强法的适用范围更宽。而开孔补强的另一方法实际与文献[2]中的极限分析补强法相同。文献[4]介绍了等面积补强法、弹塑性失效补强法、压力面积补强法和弹性失效补强法。

2开孔补强计算标准

针对开孔补强计算,GB/T150.3—2011《压力容器第3部分:设计》[5]采用等面积补强法和分析法,等面积补强法对球壳、平盖和凸形封头适用于开孔率不大于0.5的情况,对锥形封头适用于开孔率不大于0.333的情况,分析法适用于圆筒上径向接管开孔率不大于0.9的情况。JB/T4732—1995(2005年确认)《钢制压力容器———分析设计标准》[6]也采用等面积补强计算,同样适用于开孔率不大于0.5的情况,另外在规范性附录中提出了适用于球壳径向接管开孔率不大于0.8的塑性失效极限分析法。HG/T20582—2011《钢制化工容器强度计算规定》[7]采用等面积补强法和压力面积补强法,对不考虑接管补强而只用壳体补强的,适用的开孔率不大于0.5;对采用补强圈补强的,适用的开孔率不大于0.5;对球壳和凸形封头有接管或凸缘补强的,适用的开孔率不大于0.6;对采用接管补强的圆筒,适用的开孔率不大于1.0。可见,HG/T20582—2011对压力面积补强法的适用范围很宽。但HG/T20582—2011规定了该标准中的压力面积补强法不适用于材料的常温屈强比大于0.68、具有应力腐蚀、可能产生蠕变或脉动载荷的场合。

3特殊的开孔结构与开孔补强计算

3.1压力容器上的特殊开孔

在制冷装置用压力容器上,有的开孔比较特殊,如储氨器上设置的集油包,卧式蒸发器上设置的集油包、集气包等,通常是在容器的壳体上开一个较小的圆孔,然后在圆孔的外侧焊接一个比圆孔直径大得多的圆管,具体结构如图1所示。这种结构主要用于收集容器内的润滑油或制冷剂气体,使得存在一个不受容器内流体扰动的、相对独立的储存空间,而容器壳体上的开孔主要起到联通和输送流体的作用。

3.2开孔结构受力分析

集油包或集气包与容器壳体连接部位的受力如图2所示,集油包或集气包覆盖的容器壳体内外均承受介质的均布压力P,因此,实际开孔直径d1至集油包或集气包内径d2之间的这部分壳体的径向压力相等、方向相反,受力平衡,环向应力随着d1的增加而增大,增加的应力集中在开孔边缘,在离开孔边缘一定距离后,应力不再增大。如果d1至d2的距离大于应力衰减范围,则不用考虑因开孔引起的局部薄膜应力,工程上认为因开孔增加的局部薄膜应力衰减距离小于2d1。在集油包或集气包与壳体连接处,由于集油包或集气包的径向膨胀变形受到限制,在连接处产生二次局部弯曲应力。容器壳体在介质压力P作用下,集油包或集气包处的约束影响该部位壳体的变形协调,会增加连接处的弯曲应力,同样,也会因影响集油包或集气包在P作用下的变形协调而增加连接处的应力。另外,在连接处还产生应力集中这与普通的开孔接管处的受力情况相同。

3.3开孔补强计算

根据受力分析,图1这类特殊结构的开孔仍然可以采用GB/T150.3—2011中的等面积补强方法进行开孔补强计算,此时应考虑的开孔不是d1,而是d2。如图3所示,壳体的补强面积还应计入d1至d2之间的壳体金属有效截面积。由于此结构中因开孔d1增加的局部薄膜应力已在d2范围内衰减,而d1至d2之间的壳体由于内外压力平衡,由介质的压力P产生的总体薄膜应力可不计。因此按照本计算方法得到的结果应该是偏安全的。计算开孔直径为:dop=d2+2Ct(1)壳体开孔所需补强面积为:A=(dop+2δt)δ(2)壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积为:A1=(B-dop)(δe-δ)+(dop-d1-2C2)(δe-δ-C2)(3)接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积为:A2=2h1(δet-δt)fr(4)焊缝金属面积为:A3=K2(5)若A1+A2+A3≥A,则开孔不需另加补强面积;否则,开孔需要另加补强面积。式中,除d1和d2外,其余符号及其计算方法与GB/T150.3—2011[5]相同。

4结束语

对于因结构设计的要求,需要在压力容器壳体上开圆孔,再焊接比圆孔尺寸大得多的圆管的情况,可以采用上述方法进行开孔补强计算,但是,对于这类特殊结构的开孔,在设计、制造时还需要注意:所焊圆管应与实际开孔d1保持同心;所焊圆管的内径d2应不小于2d1;接管与壳体之间的焊接接头应全焊透;壳体上实际开孔的孔边应切割整齐,孔口应光滑。上述计算方法已经在多个规格的数十台制冷装置用压力容器设计时采用,有的容器使用年限已达近十年,使用情况普遍良好。

作者:熊从贵 陈送送 宋玲丽 何静 单位:台州龙江化工机械科技有限公司

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