压力容器开孔补强方法——等面积法与分析法

王 村

（江苏四方锅炉有限公司，徐州 221000）

1 压力容器开孔边缘存在的不同类型的应力

绝大多数的压力容器，为达到生产和工艺要求，需要在容器上开设工艺管口以及人孔、手孔等检查孔。由于开孔的原因使承压金属截面积减小，容器强度降低，结构的连续性遭到破坏，使开孔附近的应力值远高于远离开孔位置的部位。开孔接管处也有可能会受到多种外力作用。再加上材料自身的缺陷，制造过程中产生的缺陷，以及检验方法的不足等诸多因素综合作用，导致设备失效很可能会从接管与设备连接的根部开始发生。开孔补强方法是否选择正确直接影响设备投入生产之后是否能安全运行，达到预期寿命。

承压设备开孔以后，在开孔边缘存在三种不同类型的应力。

1.1 局部薄膜应力

压力容器开孔以后，开孔边缘应力分布相当不规则。在距离开孔中心较远的地方，应力值变化几乎可以忽略，在开孔边缘应力增加很快，引起较大的局部薄膜应力。

1.2 弯曲应力

相贯的两壳体在压力载荷作用下，各自产生的径向膨胀不一致。为克服相邻构件之间形不协调，必然产生一组自平衡的边界应力。该边界力会在开孔边缘及接管端部引起局部弯曲应力。

1.3 峰值应力

在壳体开孔边缘与接管的连接处会产生一种分布范围很小的超过一次应力和二次应力的应力值增量，该应力称为峰值应力。

2 等面积法与分析法的比较

开孔补强是压力容器设计中的一项重要内容。针对已有研究给出的两种方法进行如下比较，以方便设计人员工作过程中对开孔补强方法进行合理选择。

2.1 力学基础

等面积法：基于受拉伸的无限大圆平板开小孔为理论基础。

分析法：以弹性薄壳理论为基础，是基于修正的Morley方程，使圆柱壳开孔接管的解适用于大开孔

2.2 补强准则

等面积法：由于开孔的原因，壳体的承压金属截面积减小，应以相等的面积对开孔部位予以补强。补强材料的许用应力值小于壳体材料时，按壳体材料和补强材料许用应力的比值增加补强面积；反之，所需补强面积不得减少。

分析法：分析法是基于塑性极限和安定性分析得出，通过保证一次加载时有足够的塑形承载能力以及多次加载时有足够的安定性来保证开孔安全。

2.3 适用压力范围

等面积法：适用于内压和外压容器的开孔补强计算。分析法：仅适用于内压容器开孔补强计算。

2.4 适用开孔位置

等面积法：可用于筒体、凸形封头、锥壳、球形封头、平盖等的开孔补强计算。

分析法：仅适用于在圆柱壳体上的开孔补强计算。

2.5 开孔角度要求

等面积法：适用于径向开孔或斜向开孔的补强计算，单个开孔或多个开孔（联合补强）也适用，且内伸接管和外伸接管均可计算。

分析法：只能用于径向接管的开孔补强计算，且仅能用于外伸接管，对于带有径向内伸的接管，在计算中应忽略接管的内伸部分。

2.6 结构限制及不适用场合

等面积法：容器的设计压力小于6.4MPa；容器的设计温度不大于350℃；容器壳体开孔处名义厚度不大于的38mm；容器壳体材料标准抗拉强度下限值小于等于540MPa；补强圈厚度不大于1.5倍壳体开孔处名义厚度。

不推荐用于盛装极度高度危害介质的容器，也不推荐用于铬钼钢制压力容器。补强圈不能与壳壁完全贴合，整体性、抗疲劳性差。补强圈与壳壁之间存在空气间隙，传热效果差，会产生温差应力。焊接过程中，容器器壁对焊缝金属具有很大约束作用，妨碍其冷却收缩，焊根处易出现焊接裂纹。强度越高的材料对焊接裂纹越敏感，所以，材料强度级别较高时亦不宜适用补强圈。当补强圈的厚度较大时，角焊缝过大，不连续应力很大，因此，不适宜用于补强圈厚度较厚的工况。

分析法：模型是假定接管和壳体是连续的整体结构，补强圈结构无法达到这一要求，因此，不能用于补强圈补强的结构形式。

2.7 开孔尺寸要求

等面积法：等面积法主要用于承压设备的壳体和封头的圆形、椭圆形以及长圆形开孔。若壳体上开孔形状为椭圆形或长圆形时，孔长径比应不大于2.0。

（1）筒体内径小于等于1500mm时，开孔最大直径小于等于Di/2，且不大于520mm；当圆筒内径大于1500mm时，开孔最大直径小于等于Di/3，且不大于1000mm。

（2）凸形封头或球形封头开孔的最大允许直径小于等于Di/2。

（3）锥形封头开孔的最大直径小于等于Di/3，Di为开孔中心处的锥壳内直径。

分析法：d≤0.9D，且max[0.5,d/D]≤δet/δe≤2

2.8 局限性

等面积法：对开孔边缘处的二次应力的安定性问题是通过限制开孔形状和开孔范围间接的进行考虑，使孔边缘处的局部应力能够得到一定控制。长期使用经验证明该方法在允许范围内，开孔边缘安定性能够得到保证。未考虑开孔边缘的峰值应力，所以等面积法不适用于承受循环载荷的疲劳容器的开孔补强。

粗略的认为补强范围内补强金属均匀分布，降低了孔边缘的应力集中状况；忽视了开孔处应力集中情况和开孔系数的影响。相同的开孔直径，壳体直径越大，因开孔开导致的强度削弱就越小，反之，壳体直径越小，开孔率就会变大，削弱也大。等面积法有时富裕量大，有时会显得不足；认为壳体的高应力处一直在YZ截面处，而实际上在一定条件下，接管壁厚大于壳体壁厚超过一定范围后，高应力点会偏移YZ截面。

分析法：分析法的设计准则与弹性名义应力分类法和等面积法都有所区别，该补强方法不能用于补强计算。

不能用于联合开孔补强，当圆筒具有两个及两个以上开孔时，相邻两孔边缘的距离不得小于2(Dδn)0.5；圆筒、接管或补强件的材料，其标准室温屈服强度与标准抗拉强度下限值之比Rel/Rm≤0.8；分析法曲线族中的每根曲线的起始点和结束点都代表一定适用范围的界限，不得对分析法曲线族中的任一曲线进行外延，否则最大应力点将偏离理论考核点。这样就造成很多时候虽然满足尺寸要求，但无法计算的情况。

2.9 结构和检验的特殊要求

等面积法：容器上的开孔宜避开容器焊接接头。若焊缝位于补强范围内时，应对焊缝提出附加检验要求，以开孔中心为圆心，开孔直径为半径的范围内的焊接接头不得存在任何超标缺陷。因此，应对补强范围内的容器焊接接头进行全部无损检测，检测要求同容器的主体A、B类焊接接头的检测要求一致。

分析法：接管或补强件与壳体之间的焊接应采用全截面焊透的焊接形式，从而保证补强结构的整体受力；对圆筒或接管做整体补强，应满足补强范围尺寸要求，或对圆筒壁进行整体加厚，有效补强范围内的A、B类焊接接头不得存在任何超标缺陷，必要时对此增加无损检测的要求；圆筒和接管之间角焊缝的焊脚尺寸应分别不小于δn/2/和δnt/2，接管内壁与圆筒内壁交线处圆弧半径在δn/8～δn/2。

3 结语

等面积补强法是世界各国沿用较久的一种开孔补强方法，根据大量的工程实践得出的经验方法。经过长期使用，证明该方法安全可靠，简单易行。在中低压容器的开孔补强中得到广泛应用。

对开孔率较大的设备进行等面积法补强计算时，由于等面积法未考虑开孔边缘处的局部高应力问题，只是对有效开孔范围内的整个界面进行平均补强，因此，开孔边缘的高应力引起的安定性问题，无法考核，此时应选择分析法。

对开孔率较大的设备进行补强，等面积补强方法偏不安全，并且此时弯曲应力亦不能忽略。

开孔补强方法的正确选择是压力容器设计人员必备的能力，需要设计人员根据具体工况，进行认真分析。