第４２卷第５期 ２０１６年５月 工艺与设备 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ 化工设计通讯 Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ 浅析压力容器等面积法开孑Ｌ补强计算时需注意的问题 齐 波 （天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃兰州 ７３００６０） 摘要：汇总并分析设计人员在应用等面积法对压力容器开孔补强进行计算时，常见的错误及所需注意的问题，对其原因 展开讨论，并提出建议。 关键词：等面积法；开孔补强；压力容器 中图分类号：ＴＱ ０５１．８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３—６４９０（２０１６）０５—０１１０－０２ Ｔｈｅ Ｐｒｏｂｌｅｍ Ｗｈｉｃｈ Ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ Ｎｏｔｉｃｅｄ Ｗｈｅｎ Ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｔｈｅ Ｏｐｅｎｉｎｇ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌｓ ｗｉｔｈ Ｅｑｕａｌ Ａｒｅａ Ｍｅｔｈｏｄ Ｏｉ Ｂｏ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｅｉｉ＇ｏｒｓ ａｎｄ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｗｏｒｔｈ ｏｆ ａｔｔｅｎｔｉｏｎ ｗｈｅｎ ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ ｕｓｅｄ ｔｈｅ ｅｑｕａｌ ａｒｅａ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌｓ ｏｐｅｎｉｎｇｓ ａｎｄ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｈｅ ｔｒｅａｓｏｎｓ ａｎｄ ｇａｖｅ ａｄｖｉｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｑｕａｌ ａｒｅａ ｍｅｔｈｏｄ；ｏｐｅｎｉｎｇ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｖｅｓｓｅｌｓ 等面积法以无限大平板开小孔的弹性分析理论为基础， 以补偿开孔局部截面作为设计准则。等面积法基于开孔前后 局部“截面”的抗拉承载能力不变的原则，认为当补强材料 和开孔壳体材料一致时候，补强所需的面积就是开孔减少的 面积。等面积法虽计算简单，但具备长期的实践经验，因此 被ＧＢ１５０，ＡＳＭＥＶＩＩＩ及ＪＩＳ等国内外压力容器设计标准广泛 采用 。。 。 但等面积法有其适用范围，若不熟悉其理论依据及原理， 则在计算时易忽略很多问题。随着计算机的普及和Ｓｗ６等压力 容器计算软件的广泛使用，越来越多的压力容器计算是通过计 算机程序实现的。在利用计算机软件获得便利的同时，设计人 员的整体理论水平有所下降。加之计算机软件智能化程度不足 且难以面面俱到，因不熟悉计算原理导致得出错误的计算结果 的事件屡屡发生，从而给设备造成隐患。本文就等面积法开孔 补强常见的计算错误及所需要注意的问题展开讨论。 １补强面积选取不合适 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： Ｉ．Ｉ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。 １．２未考虑简体长度不足 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”的数值是有软件自动生成的，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。 图ｉ有效补强宽度示意图 图２有效补强高度示意图 １．５注意判断是否需要进行开孔联合补强 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简体，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（参 见图１）。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。 １．３厚壁管补强时有效补强高度选取错误 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 如图２所示，用厚壁管进行补强时，五１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西ｉ值进行计算。 在圆筒直径较小、补强管直径较大时，该现象不叫突出，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。 １．４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。 收稿日期：２０１６－０５－０６ 作者简介：齐波（１９８３一），男，河北吴桥人，工程师，主要从事化 工机械设备研究工作。 ·进行分摊，补强宽度Ｂ值应有设计者手动输入。 ２误将椭圆孔等效成圆孔 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，了其长短轴之比。一般限定等面积补强 只能用于长短轴之Ｌｔ＿＜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。 （下转第１２０页） １１０· 第４２卷第５期 ２０１６年５月 工艺与设备 Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ 化工设计通讯 Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ 进行调整。为了保证这种保护圈对电极锥形头的保护效果， 的尺寸和硅心的长短，尽可能使硅棒生长过程中硅棒周围的 在设计保护圈高度和厚度时需要具体情况具体分析，以切实 物料浓度提高，以确保物料反应充分均匀。 降低倒棒风险发生的几率。 综上所述，多晶硅还原炉倒棒问题对生产效率和设备安 ３．３石墨夹头的改进 全的影响极大，在生产中必须加大对倒棒问题的预防和处理， 石墨夹头是稳定硅心的关键零件，为了提高石墨夹头对 降低还原炉倒棒发生的概率，为生产效率的提高和设备使用 硅心和电极锥形头的固定效果，可以将石墨夹头上部分硅心 寿命的延长打下基础，帮助企业获得更大的经济效益。多晶 孔做成卡槽来夹住硅心，并在中部用螺母对紧固卡瓣。这种 硅还原炉倒棒的预防可以从改进硅心尺寸、改进还原炉电极 可调节的石墨夹头不仅能够提高硅心固定效果，其动态调节 锥形头、石墨夹头改进和还原炉进料喷嘴改进四个方面开展。 功能还适用于不同尺寸的硅心紧固，在降低倒棒风险发生几 参考文献 率的同时，提高了生产效率。 【１］程智勇．浅谈３６对棒多晶硅还原炉电源系统及常见故障分析［Ｊ］． ３．４还原炉进料喷嘴的改进 通过改进还原炉的喷嘴口径，能够优化炉内的气场分布， 从而实现硅心物料置换的上下均匀。在改进时要根据还原炉 石河子科技，２０１４，（３）：５２．５３． 【２】何书玉，宋张佐．多晶硅还原炉倒棒原因分析［Ｊ］．化工管理， ２０１４，（８）：７８． －‘● 一◆－◆一◆－＋－◆－◆。◆－◆ ◆－◆－◆－◆－◆－◆ ＋。◆ ◆＿◆＿—·● 一◆一◆－◆一◆ ◆－．－．－．－．－．－．－◆。◆ ◆．．＿＋－◆－◆－◆－◆一◆－◆＿．－¨＿．． （上接第１０５页） ４结束语 化工机械设备在化工产业中已经成为了重要的组成部分， 在化工产业生产的过程中发挥着巨大的作用，有效的提高化 工生产效率，给化工企业带来了很大的经济效益。但是在化 工机械设备被使用的过程中，由于受到某些因素的影响，导 致其发生了腐蚀的现象，这主要是对金属材料的选择与保护 上出现了问题，那么在对金属材料进行选择时，一定要保证 其稳定性能，与此同时还要对其进行保护，只有这样，才能 够有效地预防化工机械设备发生腐蚀。 参考文献 ［１］李树义．浅谈如何提高化工机械防腐能力［Ｊ］．中国石油和化工标准 与质量，２０１１，（４）：４５． 【２］张亚娟，高泽吉，孙延龙，等．提高化工机械防腐能力的有效路径 ［Ｊ］．中国石油和化工标准与质量，２０１ｌ，（５）：ｌ１． 【３】任夫健，常颖．常见化工防腐设备选择与使用【Ｃ］／／第四届中国国 际腐蚀控制大会论文集．２００９（４）． ［４】张文香．设备表面防腐缺陷分析及对策［Ｊ】．石油工程建设，２００８，（４）． ¨一◆－＋一◆一◆０◆－◆－◆－＋－◆－◆－◆·－·● －－● ＿．＿＋－＋－◆· －－·● －．＿◆０＋ ◆ （上接第１１０页） ３接管大端厚度过大 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 Ｊ。 ４未计算接管小端厚度 很多设计者常对接管小端处的厚度未加以核算，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。 ５对所有参数均逼近可不另行补强的接管边界条件时未进行 核算 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， ·１２０· 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。 ６结束语 正确的进行开孔补强计算，是压力容器设计者应具备的基 本素质。但在工程实践中，却常常会遇到考虑欠缺甚至错误之 处，本文所提出的也仅仅是在实际工作中遇到的最常见的错 误。造成这一问题的主要原因有两点，一是压力容器计算软 件智能化程度不足和国内标准距世界先进标准尚有一定距离： 如用Ｓｗ６计算软件虽十分便捷，但在很多容易出错的地方欠 缺必要的提示；又如ＧＢ１５０对一些细节问题未像ＡＳＭＥＶＩＩＩ 标准那样做出详细规定。另一原因是设计人员过于依赖计算 软件，未认真学习压力容器的理论知识，造成设计人员整体 理论水平逐年下降，甚至对计算原理已相当陌生。在呼吁软 件进行不断改进，标准不断进行更新完善的同时，也建议设 计人员提高自身理论知识水平，以减少错误，降低设备风险。 参考文献 ［１］全国压力容器标准化技术委员会．钢制石油化工压力容器设计规定 ［Ｍ］．北京：全国压力容器标准化技术委员会，１９８５：１３５．１５９． ［２李世玉．压力容器设计工程师培训教程【２］Ｍ】．北京：新华出版社， ２００５：２０６ ２１２． 【３】郑津洋，徐平，方晓斌，等．ＡＳＭＥ压力容器设计指南【Ｍ】．北京： 化学工业出版社，２Ｏ０４：９０—１００． 【４１ ＨＧ ２１６３０－－１９９０补强管ｆＳ】． ［５】刘建州．压力容器开孑Ｌ补强结构设计的商榷［Ｊ］．大氮肥，２０１０：３３ （３）：】７４一】８０
