开孔补强需注意的问题

原创 胡伟明  2021-06-03 20:56:00  阅读 248 次 评论 0 条
摘要:

补强面积进行开孔补强时,需在规定的加强区域内进行补强,补强所需的金属量必须不小于因开孔挖去的金属量。使用笔算时,补强面积选取不合适的问题往往可避免,但使用计算机计算时,该错误则时常出现。补强面积选取不合适的情况主要有以下几点:1.未考虑封头减薄量封头在压制过程时,其厚度会减薄。此时,在计算封头有效宽度内可用于补强的金属时,必须扣除其加工减薄量,以封头的最小允许厚度为依据进行计算。但在工程设计实际中,由于Sw6软件对此没有特别提示,很多设计人员常会依照其名义厚度进行计算,从而造成补强面积不足。2.

补强面积

进行开孔补强时,需在规定的加强区域内进行补强,补强所需的金属量必须不小于因开孔挖去的金属量。使用笔算时,补强面积选取不合适的问题往往可避免,但使用计算机计算时,该错误则时常出现。补强面积选取不合适的情况主要有以下几点:

1.未考虑封头减薄量

封头在压制过程时,其厚度会减薄。此时,在计算封头有效宽度内可用于补强的金属时,必须扣除其加工减薄量,以封头的最小允许厚度为依据进行计算。但在工程设计实际中,由于Sw6软件对此没有特别提示,很多设计人员常会依照其名义厚度进行计算,从而造成补强面积不足。

2.未考虑筒体长度不足

在壳体有效宽度内的“多余的金属”可起到补强的作用。压力容器上常会出现长度较短的筒体,其长度不能满足有效补强宽度的需要,此时应选取实际有效补强范围进行计算(如下图)。该问题在换热器的管箱上尤为多见。此问题在工程设计中应特别予以重视。


3.厚壁管补强

如下图所示,用厚壁管进行补强时,h1值和h2值会有一定偏差,在计算时,应该按照最小伸出高度即h1值进行计算。在圆筒直径较小、补强管直径较大时,该现象比较突出,此时h1值和h2值偏差会较大,往往会因此造成补强面积不够。


4.焊缝金属面积选取不合适

焊缝处“多余的金属”可用于补强,即补强中的A3值。但需要根据焊缝的不同选取不同的值。在使用SW6计算时,焊缝处“多余的金属”的数值是由软件自动生成的,但这数值可能与实际的焊缝截面积有很大差别,特别是当采用厚壁补强接管进行开孔补强时。这可能会因为实际的补强面积不够而对设备安全埋下隐患。

联合补强

这一点容易被遗忘,在使用SW6进行计算的时候,对采用联合补强的个开孔间重叠部分的面积,应按开孔直径比例进行分摊,补强宽度B值应由设计者手动输入。


孔形状

等面积法从其计算意义上讲,仅考虑了开孔截面的平均应力,即只对整个截面的一次强度进行了考虑,而没有对开孔边缘的应力集中问题进行考虑,对开孔局部高应力部位的安定性问题未予以校核。在圆筒形壳体上有纵向长圆形(椭圆)开孔的情况下,当长短轴之比较大时,在长轴的顶点处,会产生很高的局部应力,极易发生不安定的问题,而这在等面积补强计算法并没体现。因此,各国标准均对用等面积法计算椭圆孔时,限制了其长短轴之比。一般限定等面积补强只能用于长短轴之比≤2的开孔情况。对于长短轴之比>2的情况,孔边的局部高应力部位必须辅以安定性校核。很多设计者为了方便,将椭圆孔等效成圆孔进行计算,极易造成设备隐患。

接管大端

接管越厚,则其刚度就越大;相应的,接管与壳体连接的厚度差越大,两者的刚度差就越大,从而导致设备受压时接管与壳体连接部位的变形协调型就越差。协调变形性差,则产生的局部应力较大。因此,接管的厚度不宜比壳体厚度大太多,尤其是对容易产生冷裂纹的材料。虽GB150中对接管厚度没有具体要求,但在实际设计中,接管大端厚度一般不宜超过壳体厚度的1.5倍,最大不超过壳体厚度的2倍。如不能满足补强需要,则应考虑增加筒体壁厚,接管内伸等办法处理补强问题。

接管小端

通常对接管小端处的厚度不需核算,在GB150中也确实未提及接管颈部最小厚度的要求,但保证接管的有效壁厚能满足压力载荷的需要则是必须的。因此应按照计算筒体壁厚的方式,对接管小端的壁厚进行核算,尤其要注意对GB150规定可不另行补强的接管的壁厚进行核算,接管小端处厚度的最低要求应是不小于在内压和外压作用下所需要的最小颈部厚度加腐蚀裕量。

另外,除用于进出和检查的人孔、手孔及仪表接口等,其余接管都存在和外部管道连接的附加应力。在ASMEVIII-1对此有详细的考虑,但在150中未提及。建议设计这类管口,尤其是外部应力较大的管口进行外部应力载荷的核算。

不另行补强

当所有参数均满足 GB150.2 中第 6.1.3 条中规定的“不另行补强的最大开孔直径”的所有条款时,绝大多数设计者会选择不进行补强, SW6也会自动免除补强计算。

在制定该可不另行补强的条款时,主要考虑容器的壳体壁厚往往超出了实际需要,厚度的增加致使薄膜应力减小,最大应力值也相应的降低。这时候,容器已被整体补强,从而不需要再进行补强。同时, 接管的壁厚也往往大于实际需要,多余的金属已经起到了补强作用。再者,在满足不另行补强的最大开孔直径的要求时,其应力集中系数较低(一般在 3.0以下)。

但当设计压力接近 2.5MPa,壳体材料富余量较少,且接管外径较大时,即所有条件都逼近边界条件时,不进行计算则存在一定的风险性,同时此时若按等面积法进行计算,计算结果常不合格。因此,当所有条件都逼近边界条件时,此时Sw6 会自动免除计算,因此建议在此情况下用等面积法手算进行校核。


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