浅谈压力容器壳体大开孔补强方法

摘要： 对于结构和工艺有严格要求的压力容器，在壳体上设置大开孔是经常遇到的情况，根据失效准则，对压力容器壳体大开孔补强采用的几种方法进行了分析与比较并探讨几种补强方法的适用范围。

关键词： 大开孔补强；等面积法；压力面积法；极限载荷法；有限元法

Introduction to pressure vessel shell large opening reinforcement methods

Zheng Yingfeng Li Jiachao

[Abstract]

Structure and process have strict requirements for pressure vessel， is frequently encountered in set up a big hole on the shell， according to the failure criterion， the pressure vessel shell large opening reinforcement using several kinds of methods are analyzed and compared and the applicability of several reinforcement methods are discussed.

[Key words]large opening reinforcement， such as area method and pressure area method， the ultimate load method and the finite element method

【中图分类号】TH49

【文献标识码】B

【文章编号】2236-1879（2017）09-0167-01

一、压力容器现状

随着工业、化工、航天技术的发展，压力容器的结构也变得越来越多样。由于结构和工艺的要求，需要在容器壳体上设置开孔结构。壳体开孔后，极限承载能力下降，开孔处有较大的应力集中，很可能因高应力而出现裂纹；因此在压力容器设计中必须充分考虑壳体开孔的补强问题，特别是大开孔的补强问题。

二、常用的开孔补强方法

压力容器常用的开孔补强方法有：等面积法、压力面积法、极限载荷法和有限元法。

（1）等面积法。

等面积补强法是以受拉伸的无限大平板开小孔作为计算模型。仅考虑压力容器壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次总体平均用力为补强原则。对于大开孔，由于壳体曲率的影响，在开孔边缘存在很大的薄膜应力，实际情况不同于平板开孔。特点是：角焊缝，具有应力突变，容易产生应力集中，受力状态不均匀。

（2）压力面积法。

压力面积法是西德AD压力容器规范中采用的开孔补强计算方法，其开孔率可达0.8，工程上常用该法对开孔率超出等面积法适用范围的大开孔进行补强。特点是：可能引起的局部失去安定和尖角过渡处可能存在的高峰值应力引起的疲劳失效问题。

（3）极限载荷法。

极限载荷法采用的是塑性失效准则，即认为结构初始屈服并不意味着承载能力的丧失，只有当容器某一区域整个截面均进入塑性状态，以至发生塑性流动时才视为失效，与之相对应的载荷称为极限载荷。由于该原则对开孔附近应力集中区有较大的应力许用值，常用于压力容器的大开孔补强。特点是：评定方法和合格准则2007年才颁布，且国内尚无此法的实施细则。目前尚处于研究热点之一。

（4） 有限元法。

有限元法的主要原理是将元件“离散”成一系列由节点相连接的“单元”，由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟几何形状复杂的求解域。特点是：随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。

三、开孔补强法的对比

压力面积法与等面积法形式不同，但实质是完全相同。两者补强结果差别的原因，是两种方法对筒体的有效补强范围考虑有所不同。等面积法的壳体有效补强宽度B直接与开孔直径相关，等面积法基于受拉伸开孔大平板孔边应力集中的衰减范围取为d/2，此值完全取决于开孔直径，与筒体厚度无关。压力面积法的壳体有效补强宽度B与壳体直径及厚度有关，压力面积法对筒体的有效补强范围则基于圆柱殼边界效应的衰减区域取为（D0+0-C）（D-C）（D0-壳体内径，0-壳体有效厚度，c-腐蚀裕量），它仅与筒体内径有关，从而与开孔直径无关。因此对较大直径的壳体上较小的开孔，压力面积法的有效补强宽度B可比等面积法大得多。反之，对较小直径的壳体上较大的开孔，等面积法的B则比压力面积法的B打，压力面积法的补强范围相对较小，具有密集补强的特点，可以有效降低开孔接管部位的应力集中，这也是压力面积法常用于压力容器大开孔的最主要原因。

极限载荷法与等面积法是建立在静力强度基础上的补强方法。不同的是：等面积法以受拉伸无限大平板开小孔为计算模型，且以整个壳体截面的平均应力进行计算；极限载荷法则以壳体模型为基础，以极限载荷进行分析。极限载荷法的分析结果比较符合实际的开孔情况，计算较为准确。应强调的是：压力面积法、等面积法和极限载荷法一样，未涉及安定性问题和疲劳强度要求的开孔补强计算。在有疲劳强度要求的开孔补强计算时，采用有限元方法进行详细的计算及分析是最佳的。

压力容器壳体大开孔的应力分析问题，用理论方法难以求解，而有限元法有较高的我精度和可靠性。利用有限单元法对开孔容器进行应力分析，只能得到危险截面上最大应力点值，而不是平均应力、二次应力。在设计上，还要对有限元计算结果进行强度评定，对三维有限元得到的设计算应力必须进行分类，不同类的应力分别采用不同的许用值。确定有限元计算方法的准确性时，还应以辅助实验方法进行验证。

四、结论

（1）等面积法与压力面积法的实质是一样的。

（2）压力面积法对有疲劳失效或脆断可能及重要场合的压力容器 的设计中是不适宜的。

（3）极限载荷是压力容器设计人员研究的热点，对其加以研究有助于设计人员更好的掌握国外先进设计方法。

（4）有限元法计算精度高，能真实反映结构的应力、应变分布情况。对于有疲劳强度要求的开孔补强计算时，采用有限元方法计算时最好的方法。

参考文献

[1]GB150-2011压力容器

[2]JB4732-1995，钢制压力容器-分析设计标准

[3]薛明德.国外关于圆柱壳开孔接管问题的研究概述

[4]章春亮，张康达，钱逸.内压柱壳大开孔接管实验应力分析和有限元计算