ASME压力容器建造规范研讨会设计部分问题解答(节选)
── 第三部分 开孔及其补强
Reply to the Questions about Design Arose from the Seminar for ASME BPVC Section VIII
Part 3. Opening and Its Reinforcement .


丁伯民Ding Bomin
华东理工大学East China University of Science and Technology

本文就2009年在上海举行的ASME压力容器建造规范研讨会中学员所提的与设计有关的问题进行汇总答复。
In this Paper, reply to the trainee’ questions about design disquisition in Shanghai seminar for ASME BPVC Section Ⅷ briefly in 2009.

应力集中,应力校正系数,补强有效范围,不需补强,在焊缝及其附近的开孔,焊缝强度途径
Stress concentration, Stress correction factor, Limits of reinforcement, No requirement for reinforcement,Openings in / or adjacent to welds,Weld strength paths

CACI于今年4月所组织的ASME规范Ⅷ(与设计有关)研讨会期间,与会者在会前和研讨中提出了不少问题,CACI要求归纳整理后公布。初步考虑,拟对研讨会中以书面或口头提及的低温操作和防脆断措施,焊接接头分类和焊接接头系数,压力试验及其限制条件,开孔及其补强,元件的形状和尺寸允差,換热器设计,全部改写ASME Ⅷ-2的背景和主要修改内容等几个方面陆续整理,在整理中不拟以和讨论者一问一答的方式简单处理,而是根据规范的具体规定,从原理并规范的条文上系统说明。本文是其中的第三篇。
ASME Ⅷ-1[1][2]的开孔补强采用等面积补强法,GB 150基本上参照ASME Ⅷ-1,表面看来二者似基本相同,实际上涉及一些较深层次的问题时,二者相差很大。对熟悉并接受GB 150思路的设计人员,要理解ASME Ⅷ-1的开孔补强原理,恐不能以GB 150的思路出发,而要重新启动。

1 开孔接管对容器元件所引起的主要问题
在容器元件上开孔并设置接管,对元件主要引起以下三方面的问题。
(1)承载截面积、即承载能力的削弱。此处所谓截面积削弱是指承受最大主应力截面上的削弱,也就是用以确定该元件厚度的、承受最大主应力作用的截面的削弱,从而导致元件承载能力的削弱。对于内压圆筒开有圆孔时,是指圆筒纵向截面的削弱,所以总是以此截面作为补强计算的基准面。但当开有非圆孔时,则要看该孔的长、短轴比值是大于2还是小于2(ASME Ⅷ-1并不限制长、短轴比值只能是小于等于2),还要看该孔两轴沿圆筒轴线的布置方位,不能简单地认定也是圆筒纵向截面的削弱,当然也就不能简单把圆筒纵向截面地作为补强计算的基准面。以图1为例,如在两向应力相等的球壳上开圆孔为例,则通过开孔中心的每一截面都承受最大主应力,每一截面都是开孔直径d,所以可以把通过开孔中心的任一截面作为补强计算的基准面;如开有椭圆孔,则以通过开孔中心的椭圆孔长轴截面作为补强计算的基准面。如在两向应力为2:1的圆筒开有长短轴比值不超过2的椭圆孔,见图1(b)中的(2)或(3),则圆筒纵向截面的削弱大于环向截面的削弱,故仍可以将圆筒纵向截面作为补强计算的基准面;但当椭圆孔的长短轴比值超过2时,见图1(b)中的(4),则圆筒环向截面的削弱大于纵向截面的削弱,因此要以圆筒环向截面地作为补强计算的基准面,如仍以圆筒纵向截面进行补强计算,则其计算结果必偏于不安全;当椭圆孔按1(b)中的(5)、即任意倾斜布置时,不论该孔的长短轴比值是否大于2,都无法立时判定哪个截面的削弱最甚,也就是无法立时判定应以哪个截面作为补强计算的基准面,而必须沿开孔周向,逐一找出各截面上的开孔弦长,以及垂直于该截面的最大主应力,二者的匹配使其承载能力的削弱达最大者才是补强计算的基准面,如按其它任一截面进行补强计算,由于其削弱并非最甚,其计算结果都偏于不安全。

图1球壳及圆筒上的开孔类型及其布置(略)
ASME Ⅷ-1引入应力校正系数F(见规范图UG-37),其目的即是针对圆筒或锥壳(其两向应力为2:1)上开有非圆孔时逐一查找各截面的最大主应力,并通过L-7.7的例7,举例说明了圆筒上带有沿圆筒周向倾斜布置圆管时的补强计算。如果圆管不仅沿圆筒周向、而且沿圆筒轴向也存在倾斜,即构成如图(1)(b)中(5)的孔形时,即要逐一查找各个截面,以找出承载能力削弱最甚的截面进行补强计算了。
(2)孔边的应力集中。壳体因开孔而导致承载截面削弱后,孔边应力不再均匀分布,而是孔边大,离孔边一定距离后衰减到无孔时的应力值,局部高应力的存在区(由孔中心起量)一般是开孔直径d的某一倍数,由此而作为确定壳体上补强有效范围的一个因素。
(以下省略)

2规范的规定
ASME Ⅷ-1采用的是等面积补强方法,其基本思路是:因开孔而导致在壳体上削弱的承载截面积(注意:按补强计算基准面上的削弱进行计算,通过开孔中心的其它各截面的削弱总小于该基准面上的削弱)应在补强的有效范围内(包括壳体和接管)补充以相同数值的截面积,显然,这一方法并未计及孔边应力的不均布现象,认为在补强有效范围内元件各处应力都是相同的。对于外压壳体或(内、外压)平板,由于是按抗弯断面模量、而不是以截面积计算其承载能力,所以应是因开孔而导致在外压壳体或平板上削弱的抗弯断面模量,应在补强的有效范围内(包括壳体和接管)补充以相同数值的抗弯断面模量,规范为统一起见而都換算成用截面积表示,故可得约为内压壳体所需截面积的一半[3]。

2.1不需补强的开孔尺寸(略)

2.2补强有效范围的划定(略)

2.3 削弱的承载截面积、即需要补强的截面积计算(略)

2.4 壳体和接管有效补强面积的计算(略)

2.5 补强件对壳体的连接强度
补强计算仅解决在补强有效范围内壳体及接管除承载需要之外的多余截面积以及另加的补强件截面积是否能补偿因开孔而引起削弱的承载截面积,如果满足了补强计算,但由于补强件并未和壳体牢固相连,不能和壳体一起承载,则仍不能达到补强目的。为此,规范在UG-41中为保证连接强度,对补强件和壳体间可能发生相对移动的有关途径,规定了强度校核的要求。其中心思想是:通过该途径所有连接焊缝(如为插入式接管,包括接管的剪切强度)应不低于该途径上能起补强作用的补强件的强度,见图2。


2焊缝强度校核途径(引自ASME Ⅷ-1UG-41.1

以途径1-1为例,焊缝及受载件强度:补强圈外周填角剪切(周长×焊脚长×焊缝剪切许用应力),接管剪切(接管横截面积×接管剪切许用应力)。
各补强件强度:(接管的补强面积+补强圈面积+补强圈外周填角焊缝面积)
由UG-41(b)(1)、(2),

中的较小值校核。

2.6 开孔和焊接接头的相遇或相邻(略)

2.7 接管颈部的厚度
为避免壳体与接管颈部连接处因厚薄过于悬殊而导致附加边缘应力过大,规范在UG-45对接管颈部厚度作了规定,其中心思想是,接管颈部的最小厚度除应满足压力要求外,应是标准管壁管子的最小厚度加腐蚀裕量。

2.8 壳体上和平板的大开孔
d/D超出规范规定的大开孔,ASME Ⅷ-1在附录1-7中列出了圆筒和锥壳上的大开孔补强设计方法,该法即为EN 13445所采用的压力面积补强法,它在d/D值较大时能得到偏于保守的结果,见2.2节的分析;2007版起又在其附录1-9中列出了按照ASME Ⅷ-2 2007版的压力面积应力补强法,该法和等面积法、压力面积法都不同,它认定在开孔周围的承载件中应力分布是不均匀的(等面积法、压力面积法则认为在开孔周围的承载件中应力分布是均匀的,都等于SSE值),因此列出了在这些承载件中最大应力值的计算式,将它限于1.5S以内为满足,所以它并无不需补强的小孔尺寸限定,也无d/D适用范围的限定,一律以计算承载件中的最大应力值并满足校核条件为合格。
ASME Ⅷ-1在附录14中列出了平板上大开孔的设计规定,它实际上是由法兰设计原理导得[4],所以它说明:平封头厚度不需要按平板设计的规则进行计算,厚度满足本附录的所有要求(即各处应力计算和校核要求)即符合本规则的要求。

3 和GB 150的区别与联系

GB 150在总体上参照ASME Ⅷ-1,但由于种种原因而和ASME Ⅷ-1不甚一致,其中主要有:
(1)对两向应力不等的圆筒和锥壳,并未引进应力校正系数F,虽然对开孔直径d也据ASME Ⅷ-1表示为“椭圆形或长圆形孔取所考虑平面上的弦长” ,但由于并无应力校正系数F的配合,使得如图2中(5)所示的斜向布置的椭圆孔因无法得知各个可疑截面的最大主应力而无法进行计算;对参照ASME Ⅷ-1图UG-42(b)所示的两个或两个以上开孔,在按各两孔中心联线的截面如并非平行或垂直于壳体轴线时也因同样的原因而无法计算。
(2)ASME Ⅷ-1针对在一定条件下的某些小孔不致造成较大的应力集中,因而规定不需补强,包括不需补强计算和不需采取补强措施。GB 150从1989年版在引用ASME Ⅷ-1时将壳体厚度和开孔尺寸引反,几经周折并修改为现行的、和ASME Ⅷ-1完全无关的不另行补强的开孔直径,并列出了适用条件,导致出现对多层高压容器层板上直径一般为8mm的透气孔进行判定时需要进行补强的技术笑话。
(3)ASME Ⅷ-1和不需补强的开孔相联系,对于需要补强计算的开孔,在壳体能起补强作用截面积A1的计算中已根据它是否和A类接头相遇而确定是否引入焊接接头系数E1,并在UW-14中明确按规范规定进行补强计算的任何开孔,均可位于焊接接头上,但对不需补强的开孔则不允许位在A类接头上而只允许位于B类或C类对接接头上,并规定了对相应接头的无损检测要求。GB 150则回避了开孔和焊接接头的相遇或相邻(包括是否可以和焊接接头相遇,哪种开孔可以和焊接接头相遇,可以和哪类焊接接头相遇,如相遇或相邻是否需要采取措施,采取哪种措施等)问题,只是在因开孔而削弱截面积A值和在壳体上能起补强作用的“多余”截面积A1计算式中壳体计算厚度δ的计算式中,不论该孔是否位在焊接接头上,一律都笼统地以引入壳体上焊接接头系数ф的公式表示,和ASME Ⅷ-1区分在A值计算或A1值计算、是和A类接头相遇或不相遇时引入或不引入焊接接头系数的原理全然不同。对ASME Ⅷ-1有关这一问题的原理,已在2.3和2.4节中分析,不再重复。
(4)ASME Ⅷ-1在UW-14节中对3d长度焊缝要进行射线检测的规定是针对不需补强的开孔开在B类或C类对接接头上,或开孔边缘距A、B类或C类对接接头在13mm以内才为之。GB 150在引用时则不区分何种开孔,一律笼统地规定为“以开孔中心为圆心,1.5倍开孔直径为半径的圆中所包容的焊接接头” 应全部检测,又造成了如某一要求极低的ф1400常压塔,如每隔700mm开一个ф500mm的人孔,则按GB 150的规定要求对全塔所有焊接接头进行射线检测的技术笑话。
(5)GB 150虽然在附录J中参照ASME Ⅷ-1而引入了接管对壳体的连接接头型式图,但是并未说明如并未按照图示焊缝尺寸时该如何处理,也未对带补强圈时(ASME Ⅷ-1认定凡带补强圈时都是非全焊透结构,都要求按图3所示进行各途径的焊缝强度校核)提出有关途径的焊缝强度校核,这样就有可能导致某些受载途径的焊缝达不到要求的强度而使补强圈和壳体产生相对滑移,使补强圈形同虚设。
(6)GB 150并未从尽可能减小接管对壳体连接的结构不连续角度考虑,对接管颈部的最小厚度提出要求。
(7)对平板上的大开孔,GB 150照引了ASME Ⅷ-1。但ASME Ⅷ-1明确表示平封头厚度不需要按平板设计的规则进行计算,厚度满足本附录的所有要求(即各处应力计算和校核要求)即符合本规则的要求。但GB 150却表示:其平盖厚度需满足要求。

参考文献
[1] ASME 锅炉及压力容器规范 Ⅷ 第一册压力容器建造规则,2007版
[2] ASME Boiler and Pressure Vessel Code,Section Ⅷ-1 Rules for Construction of Pressure Vessels,2007 Edition.
[3][日] 野原石松著,压力容器,上海化工学院郑录等译,1979.
[4]丁伯民曹文辉等编,承压容器,化学工业出版社,2008

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