Ａｐｒ．２０１０ ・化肥设计 Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｆｅｒｔｉｌｉｚｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ 第４８卷第２期 ｌ６・ ２０１０年４月 开孔补强的常规设计与分析设计之比较 ０ 郭晓霞 ，魏冬雪 （１．北京化工大学机电工程学院，北京摘１０００２９；２．太原科技大学化学与生物工程学院，山西太原０３００２１） 要：采用不同单元类型建立了筒体开孔接管的有限元模型，基于ＪＢ４７３２《钢制压力容器——分析设计标准》进 行了强度分析，考察了接管角焊缝的影响。研究发现，与采用ＧＢ１５０的等面积补强法相比，采用ＪＢ４７３２的分析设 计法更能发挥材料的潜能，且降低成本；接管连接处角焊缝的存在能降低连接处的局部薄膜和弯曲应力。 关键词：开孔补强；常规设计；分析设计；有限元分析 中图分类号：ＴＱ０５１；ＴＨ４９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４—８９０１（２０１０）０２—００１６—０３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｗｉｔｈ Ａｎａｌｙｔｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ＯｐｅｎｉｎｇＲｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ＧＵＯ Ｘｉａｏ—ｘｉａ，ＷＥＩ Ｄｏｎｇ—ｘｕｅ （１．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＥｎｇｉｅｅｒｉｎｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９ Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ Ｅｎｇｉｅｅｒｎｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔａｉｙｕａｎ Ｓｈａｎｘｉ ０３００２１ Ｃｈｉａ）ｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｕｔｈｏｒ ｈａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ｎｏｚｚｌｅ ｏｐｅｎｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｓｈｅｌｌ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｕｎｉｔ ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＪＢ ４７３２ 《Ｓｔｅｅｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌｓ——Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ），ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎａｌｙｓｉｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｍａｄｅ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｚｚｌｅ ｆｉｌｌｅｔ ｗｅｌｄｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｄｉｓｃｏｖｅｒｅｄ ｂｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈａｔ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ＪＢ ４７３２ ｃａｌｌ ｍｏｒｅ ｂｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｎｔｏ ｐｌａｃｅ，ａｎｄ Ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ ｅｑｕａｌ ａｒｅａ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ＧＢ １５０；ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｅｎｃｅ ｏｆ ｉｌｆｌｅｔ ｗｅｌｄｓ ａｔ ｔｈｅ ｎｏｚｚｌｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｃａｎ ｌｏｗｅｒ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｍｅｍｂｒａｎｅ／ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｐｌａｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｏｐｅｎｉｎｇ ｒｅｉｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；ｃｏｎｖｅｎｔｎｉｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ｄｅｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ 在生产中，压力容器由于工艺、检修、安装等方 面的需要，要开设各种类型的孔。开孔不仅削弱了 求出其极限载荷。结果表明，采用补强圈补强和采 用厚壁接管补强均使壳体的极限载荷有了很大的 提高，厚壁接管补强优于补强圈补强 。 笔者拟采用ＧＢ１５０等面积补强法和基于多种 有限元模型的ＪＢ４７３２分析设计法，对简体开孔补强 进行计算和相互比较，并考察了角焊缝的影响。 壳体的强度，而且在开孔的边缘产生很高的应力集 中现象，成为设备的破坏源。所以大多数情况下， 都需要对开孔进行补强计算。许多研究和设计者 对筒体开孔补强进行了分析与研究。沈宏元分析 了圆筒承压容器及开孔周围的应力，从降低应力集 中的角度提供了开孔补强的经验计算公式¨Ｊ。阮 ｌ 常规设计的等面积开孔补强计算 笔者所分析的简体与接管几何尺寸以及相关 设计参数见表１，简体与接管整体几何结构剖视图 见图１。 表１简体与接管几何尺寸及相关设计参数 黎祥和丁伯民对开孔补强的等面积法和压力面积 法的设计原理进行分析，认为这２种补强设计方法 的原理是完全相同的，所区别之处仅是对壳体补强 有效范围的规定不同，导致在不同开孔径比时得到 不同结果 。伊新也介绍了等面积法和压力面积 法２种开孔补强方法关于开孔补强的异同 。张 红才则运用压力面积法和ＡＳＭＥ法计算分析了受 内压模型容器简体大开孔补强结构，采用极限分析 法求出其极限载荷和设计载荷。认为由于压力面 积法中没有考虑弯曲应力的，将其用于大孔补 强设计时有时是不可靠 的。路智敏使用ＡＮＳＹＳ 有限元软件建立了圆柱壳开孔未补强、采用补强圈 补强和采用厚壁接管补强的３个压力容器模型，并 作者简介：郭晓霞（１９６３年一），女，山西平遥人，１９８５年毕业于太原 理工大学化工机械专业，副教授，从事化工设备的教学和研究工作。 ・１８・ 表３筒体的应力强度校核 化肥设计 ２０１０年第４８卷 同的情况下，由于分析设计法采用了较小的安全系 数，并在应力分类的基础上，对壳体和接管连接处 的局部采用了较大的许用值，从而能更充分地发挥 材料的潜能，减小接管的厚度，降低成本，充分体现 了既安全又经济的优化设计理念。 （２）本研究还发现，接管和筒体连接处角焊缝 的存在能降低连接处的局部薄膜应力和弯曲应力， （１）从表２和表３可以看出，依据ＪＢ４７３２￣钢 证实了焊缝金属对开孔的补强作用。 参考文献： ［１］沈宏元．圆筒形压力容器开孔补强的计算方法［Ｊ］．上海电力， ２００２（６）３２—３５． 制压力容器——分析设计标准》强度设计准则，不 管是用壳单元还是实体单元进行分析计算，接管和 筒体的强度是足够的，不需要外加金属补强。这与 常规等面积补强计算结果完全不一样，说明分析设 计更能充分地发挥材料的潜能，减小接管的厚度， 降低制造成本。 （２）从表２和表３也可以看出，考虑角焊缝时， ［２］阮黎祥，丁伯民．开孔补强的等面积法和压力面积法的联系和 区别——兼对ＡＳＭＥⅧ一２（２００７）开孔补强的分析［Ｊ］．化工 设备与管道，２００８，４５（１）：１５—１８． ［３］伊新，薛红卫．压力容器圆筒体上大开孔补强问题的探讨［Ｊ］． 广州化工，２００８，３６（２）：８０—８２． 应力强度值明显比不考虑角焊缝时要小，说明焊缝 具有一定得补强作用。 ［４］张红才．压力容器大开孔补强结构强度有限元分析［Ｊ］．石油化 工设备，２００５，３４（３），２４—２６． ［５］路智敏，刘羽中，苗文勇．圆柱壳开孔补强结构极限载荷的有限 元分析［Ｊ］．内蒙古工业大学学报，２００８，２７（３）：２０９—２１２． 收稿日期：２００９—１１—１３ ４ 结语 （１）本研究结果可以看出，在各种参数完全相 （上接第１０页） 煤炭清洁转化制甲醇产品链见图１０。 化工工业即占总产值２０％以上。 （３）煤炭不仅是能源基础，也是国民经济的 物质基础。为了实施上述目标，须进行总体规划， 分步实施。建议先建设ｌ～２个规模８×６Ｏ万ｔ／ａ 煤制甲醇化工示范基地，然后全面推广，再在产煤 地区分别建设上百个年产５００～１ ０００万ｔ级的煤 制甲醇化工基地，经过几代人不断奋斗去完成历 史赋予的对化石能源碳循环进行的一场新的工业 。 图１Ｏ煤炭清洁转化制甲醇产品链 参考文献： ［１］李琼玖，杜世权，廖宗富，等．论合成氨尿素装置减排ｃ０２节能 创新工艺发展前景［Ｊ］．化肥设计，２００９，４７（６）：１． ［２］李琼玖，杜世权，廖宗富，等．建国６Ｏ年合成氨尿素工业发展历 程与展望［Ｊ］．化肥设计，２００９，４７（２）：１． （１）未来用太阳能、水力、风力、核聚变发电， 将替代的燃煤发电的１２亿ｔ煤炭用来生产８亿ｔ甲 醇载体实现增能利用。生产产品甲醇油４亿ｔ，二甲 醚１亿ｔ，乙烯、丙烯０．５亿ｔ，甲醛化工０．５亿ｔ，合 成氨０．５亿ｔ加工成尿素０．８５亿ｔ，煤渣制水泥４ 亿ｔ，回收硫磺０．２４亿ｔ，且免去排放ＣＯ 的３０亿ｔ。 （２）在ｌ５年内完成煤制甲醇结构调整，ｌ２亿ｔ ［３］李琼玖，孟仲林，杜世权，等．轻烃三一段纯氧转化制甲醇合成 气的自然增碳研究［Ｊ］．化肥设计，２００８，４６（６）：３． ［４］李琼玖，申同贺，盂仲林，等．煤炭清洁转化制甲醇是替代石油 能源的最佳选择［Ｊ］．化肥设计，２００８，４６（３）：３． ［５］李琼玖，赵沛华，廖宗富，等．轻烃非催化转化合成气制氨、甲醇 的创新技术［Ｊ］．化肥设计，２００６，４４（３）：３． ［６］李琼玖，廖宗富，漆长席，等．粉煤气化同水电解氢制甲醇工艺 技术综述［Ｊ］．化肥设计，２００５，４３（１）：１１，２００４，４２（６）：８． 煤炭年产值可达２．６７万亿元，按带动国民经济５倍 计，可达ｌ０万亿元，还未计人８亿ｔ煤炼焦生产钢 铁以及建材、化工等用煤的产值。２００８年国民经济 总产值为２５万亿元，按年增１０％计，１０年后可达５０ 万亿元，届时煤炭转化产值１０万亿元计，煤炭能源 ［７］李琼玖，钟贻烈，廖宗富，等．煤制甲醇联产氨改造化肥企业的 科学发展观［Ｊ］．化肥设计，２００５，４３（３）：８，２００５，４３（４）：９． 收稿日期：２００９—１２２５
