压力容器卷筒大开孔补强计算方法

摘要：压力容器是能够承载一定压力的气体或液体容器，大开孔的压力容器为保证其抗压能力，需在开孔接管位置进行补强。本文主要对压力容器大开孔补强的相关计算方法进行了分析，并对其进行比较，以找出最适合的补强方法。

关键词：压力容器；大开孔补强；计算方法

随着工程技术的发展，对压力容器的要求也越来越高，压力容器常需要进行大的开孔接管工序，而在压力容器上进行开孔操作就会破坏原来的应力状态，使压力容器内的力平衡遭到破坏，因而为了恢复容器内应力平衡状态，需要对容器开孔位置进行补强，而对于补强的计算主要有以下几种方法。

1.压力面积法

压力面积法是通过使圆筒、补强原件和接管有效截面产生的承载力与有效补强范围内产生的载荷相等来实现补强的一种计算方法，这种方法在计算时主要考虑补强材料薄膜应力即可，并没有涉及到容器开孔孔边弯曲强度问题，这一方法的计算方式虽然和以往等面积方法有所不同，但原理是一样的。其计算通式是（Ap/Aσ+1/2）p≤[σ]，其中Ap是指压力容器有效补强范围内的压力作用面积，而Aσ是指补强元件、接管等有效承载面积，p是容器圆筒的设计压力，[σ]则是指所应用的补强材料的许用应力，从上面的计算式就可以看出这一方法的计算是建立在补强截面薄膜应力计算的基础上，而不涉及孔边弯曲应力，因而在实际应用中，常会因实际应力与计算结果相差太大而失去补强的目的，因此这种方法在实际工程中应用较少。

2.ASME计算法

鉴于压力面积法在弯矩问题上的缺点，ASME方法就在压力面积法上增加了弯矩作用计算，在理论上就是在计算薄膜应力的同时增加弯矩应力计算，因而其计算通式是，Sb=，M=（/6+RRne）p，其中As是指开孔区域内的横截面面积，而I是指As面积中所对应的中性轴惯性矩，a是指中性轴和容器壁表面之间的距离，Rm是指课题平均的半径长度，Rnm是指接管颈平均的半径长度，e是指As面积中性轴和壳壁中面处之间的距离，由上面的计算式可以看出该计算方法对薄膜应力的计算和压力面积方法相同，并对补强范围进行了调整，然后在这一基础上增加了弯矩计算，弯矩应力主要包括两个部分，一是在实施开孔操作后在孔边缘产生的轴向拉力，二是开空前在开孔区域内压位置上差异不同所带来的弯矩，这一种计算方法较压力面积法更为进步，考虑了开孔位置边缘弯矩应力问题。因而这种方法比压力面积法的计算结果更为准确一些，但是在开孔边缘的弯矩应力计算方面，ASME方法还是不够全面，仅仅对绕圆筒母线弯矩进行了计算，但实际上边缘处还存在另一个弯矩应力，就是在另一方向上产生的绕接管母线弯矩应力，在进行计算时应该将这些弯矩应力都计算进去，但是ASME方法只计算了一种，因而其理论计算结果与实际应力之间还是会存在一定差距。

3.有限元应力计算方法

有限元应力计算方法是利用一种有限元分析工具对压力容器的塑性和弹性应力进行分析，并以此结果为依据的计算方法，其主要是一种应力分类方法，这一方法是目前应用最为广泛的开孔补强方法，通过对开孔截面进行线性化处理，能够对开孔处薄膜应力和开孔总应力是否满足容器应力需要进行评定。其特点主要有以下几个方面，一是要利用分析工具对压力容器和部件的弹性应力进行分析，得出相应的弹性应力结果；二是在计算完薄膜应力与总应力进行校核时所采用的准则是塑性失效准则，具体是利用极限载荷对一次应力进行控制，以达到保护整体塑性的目的；三是对弹性应力的分类主要是根据塑性失效准则来进行；四是在对各类危险应力进行许用极限值确定时要按照等安全裕度原则进行。在实际计算过程中，先利用ASME方法对薄膜应力和边缘弯矩进行计算，然后根据有限元分析软件的分析结果来确定有效补强范围，这样确定出的有效补强范围与压力面积法和ASME法相比更为精确，也更加符合实际应力状态。在理论计算过程中，在上述ASME计算通式中，根据有限元应力分析的分类结果，在公式中增加了关于局部薄膜应力和二次应力之间的关系限制条件，即，其中Sl是指局部薄膜应力，Q是指二次应力。通过这样的增加限制能够进一步提高计算结果的准确性，使理论计算结果与实际应力状态更为接近，其准确性比压力面积计算方法和单纯ASME计算方法更高。但实际上有限元应力分析的准确性在实际操作中还是会受到很多因素影响，尤其是在对边界条件、评定路径选择以及网格划分等的类别判定上，且其评定过程较为复杂，如果处理不当，就会使最后计算评定出的结果与实际应力状态不符。因而在实际应用有限元应力方法进行计算时，设计人员应该对软件中所应用到的各类评定进行掌握，以便在进行评定过程中能够正确处理各类条件、路径等，以提高有限元计算方法的准确性，使理论设计补强结果与实际应力状态相符合，以保证压力容器在开孔接管后其内部应力状态能够恢复平衡。

结语：

从上面的分析可以看出各种计算方法都存在自身的利弊，工程人员在进行计算时要对各种方法在理论上进行比较，并结合实际的工程实践，选择最适合的补强方法进行补强计算，保证压力容器的应力状态能够最大限度的恢复。

参考文献：

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