AMSE Ⅷ-1和GB/T150中开孔补强相关规定的比较

AMSE Ⅷ-1和 GB/T150中开孔补强相关规定的比较

康康 ,刘文涛 ,卢炳攀

杭州制氧机集团股份有限公司 ,浙江 ,杭州 ,310036

摘要

对规范AMSE Ⅷ-2019和GB/T150-2011中的开孔补强方法进行比较，区分不同规范中关于开孔补强相关要求和计算的差异，从而更好的理解标准。

关键词

压力容器 开孔补强 ASME GB/T150 等面积法 分析法

前言

在工程设备设计中，计算压力容器的开孔补强问题极为常见。在国标GB/T150和ASME BPVC Ⅷ-1^.中，均介绍了压力容器的开孔补强。本文将对上述标准的中涉及的开孔补强的差异加以讨论，从而更清楚的区分和理解上述标准。

为方便阅读，后续如无特别说明，GB/T150都是指GB/T150-2011《压力容器》¹，ASME是指ASME BPVC Ⅷ-1-2019²。

开孔补强的计算方法原理

GB/T150中，容器本体的开孔及其补强计算，有等面积法和分析法。ASME BPVC VIII-1卷中，UG篇为等面积法，附录1-7为膜-弯曲应力法，附录1-10是压力面积应力法。

GB/T150和ASME的等面积法均是以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础，即仅考虑壳体中存在拉伸薄膜应力，补偿开孔局部截面的拉伸强度作为补强准则。³

GB/T150的分析法假定接管和壳体是连续的整体结构，基于塑性极限与安定分析的设计准则，通过保证一次加载时有足够的塑性承载能力和反复加载的安定要求来保证开孔安全。³

ASME附录1-7中，按照一维梁的理论近似计算0°截面处平均弯曲σ_b，并将其计算得到的应力归类为一次弯曲应力，要求与近似的平均薄膜应力σ_m叠加之后不大于1.5[σ]。³

ASME附录1-10，划定接管和元件的补强有效范围以及在此范围内的承压投影面积，以压力对各承压投影面积所引起的作用力，并计算在该范围内由各承载截面积承受时所引起的最大局部一次薄膜应力作为是否满足补强要求的评定条件。⁵

开孔补强方法的适用范围

GB/T150中，等面积法适用于压力作用下壳体和平封头上的圆形、椭圆形或长圆形开孔，且孔的长短径之比不应大于2.0。ASME中, 开孔形状可以不是上述形状，但其所有转角应具有适当的半径。长径超过两倍短径时，应增强短径方向的补强。当开孔的尺寸比例对容器的安全产生疑问时，受影响的容器部分应做验证性液压试验。适用范围上，GB/T150要求凸形封头或球壳开孔的最大允许直径不超过壳体直径的1/2；锥形封头开孔的最大直径不超过开孔中心处的锥壳内直径的1/3。ASME中封头及球形壳体上的开孔经正确补强之后，其开孔尺寸不加限制，锥形筒体开孔与筒体相同。对于筒体的开孔补强，两者开孔直径的要求基本相同。但是在GB/T150的适用开孔范围中，内径不大于1500mm时开孔最大直径上限与大于1500mm时开孔最大直径下限存在矛盾，ASME的范围规定更为合理。

GB/T 150中，分析法适用于内压作用下具有径向接管圆筒的开孔补强设计，适用范围：

D≤0.9D且max[0.5,d/D]≤δ_et/δ_e≤2

ASME中，对于超出等面积法适用参数范围的开孔，当开孔率不大于0.7时，可根据ASME规范性附录1-7或1-10给出的方法进行补强计算。

较GB/T150的分析法而言，ASME的适用范围更小，附录1-7中所给的弯曲应力近似计算方法过于粗糙，不能反映开孔边缘复杂的应力状态，往往导致设计结果过于保守，附录1-10的适用范围内（开孔直径小于1000mm），其结果与GB/T150的分析法较为接近。⁴

免于补强的规定

GB/T150中，不另行补强的最大开孔直径，是针对等面积法制定的。GB/T150认为在一定压力下，由于容器的壳体厚度和接管的最小壁厚超过实际强度需要， 在这种情况下， 壳体和接管裕量可看作对开孔的补强， 能满足补强要求而不必另行补强。标准要求开孔不得位于A.B类焊接接头上。

ASME标准中，在规定的直径、接管颈部厚度和壳体厚度时，由于开孔直径较小和接管与壳体的厚度较接近， 使二者的变形较为协调，导致高应力区以及高应力值都较小，其应力集中系数基本上不会大于经正确补强的大孔的相应值， 所以不需要结构自补强外的其他补强。UW-14（b）规定不需要其他补强的开孔可以位于B 类焊接接头上，但开孔部位的焊缝应满足UW-51中规定的射线检测要求，检测长度应为开孔直径的三倍，开孔中心位于此长度中点，凡是被开孔去除的缺陷不作为评判焊缝合格与否的条件。

等面积法开孔补强相关计算

以下对比均以内压容器的单孔开孔补强为前提。

开孔补强所需面积

ASME规范UG-37（c）规定，通过开孔的任何给定平面上所需的补强总截面积A不应小于：

GB/T150.3的6.3.3.2规定，壳体开孔所需补强面积按下式计算：

GB/T150的公式中的 δ 指的是按照实际的焊接接头系数计算的壳体厚度， 而ASME公式中t_r则是假定焊接接头系数为 1 时的壳体计算厚度。 因此在同等条件下， GB/T150 需要补强的面积较大，计算较为保守。

开孔补强截面与非正交接管

GB/T150中，开孔补强规定的截面：对于圆筒或锥壳开孔，该截面通过开孔中心点与筒体轴线；对于凸形封头或球壳开孔，该截面通过封头开孔中心点，沿开孔最大尺寸方向，且垂直壳体表面 。

GB/T150中，对于非正交接管的开孔计算直径如何求取没有明确规定。开孔补强截面应以承受环向薄膜应力的截面进行考虑，圆筒开孔补强截面应是与圆筒轴线相平行的纵向截面，则开孔计算直径为孔沿纵截面方向的直径。锥壳开孔计算直径的取法同圆筒。球壳由于结构全对称的特点，对非圆形开孔计算直径应取长径。凸形封头类似球壳。³

ASME通过引入校正系数F来解决该问题。校正系数给出了其他截面应力与环向应力的关系，从而可以算出各个截面上的计算厚度。ASME等面积法计算非径向接管需校核数个截面，不同截面的开孔直径和F值不同，比GB/T150更加全面。

壳体有效补强面积

GB/T150中，壳体有效面积为壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：

ASME中，壳体有效面积为下两式中的较大值：

计算公式相似，不同处在于ASME公式中增加了校正系数F与焊接接头系数E_1。E₁表明ASME是允许开孔在焊缝上的，包括A类焊缝。 GB/T150没有引入接头焊缝系数，因此需保证在开孔中心的2d_op范围内的接头不存在任何超标缺陷。

接管有效补强面积（有效补强高度）

接管有效补强面积的计算公式一致，区别在于接管的有效补强高度的计算。

GB/T150中，依据圆柱壳在端部均布载荷作用时，柱壳中局部环向薄膜应力的衰减范围，确定的沿接管轴线方向的补强范围对于外伸和内伸接管相同，为 ，因此，接管的实际有效补强高度取该值与接管实际高度值中的小者。

ASME标准的计算方式完全不同，也没有考虑接管的实际外伸高度，外伸有效补强高度 ,内伸有效补强高度 。

接管最小厚度的具体要求

GB/T150中，没有明确提出对接管壁厚的要求， 但接管壁厚必然应满足压力作用， 因此，接管应按内压（外压）筒体核算公式进行壁厚的强度核算，尤其是不另行补强的开孔。

ASME认为，接管不仅要考虑压力作用，还应考虑接管和壳体连接产生的附加载荷，如变形协调产生的附加应力。因此，UG-45规定了接管颈部的最小厚度。

焊缝强度要求

等面积法计算中，补强面积包括焊缝金属截面积。GB/T150中，附录D.3列出了接管、凸缘与壳体的连接型式和接头尺寸，此外并未提及焊缝强度校核等要求。ASME的UW-15和UW-16明确的对焊缝的位置、型式、尺寸、强度提出了要求，明确了连接焊缝具体的校核方法。

结语

压力容器的开孔补强是压力容器计算中非常重要的一部分，对容器的安全有重大影响。通过上文的比较，我们可以看出，开孔补强计算有着不同的计算原理、适用范围、免于补强的规定和不同的具体计算方法。如同为等面积法，GB/T150和ASME也有一定的差异。因此，在工程计算时一定要明确适用的标准规范，合理运用。

参考文献

[1]GB/T 150-2011，压力容器[S]．北京：中国标准出版社，2011．

[2]ASME BPVC-VIII-1-2019 Section VIII pision 1 Rules For Construction Of Pressure Vessels. New York：American Society of Mechanical Engineers，2019

[3]李世玉 压力容器设计工程师培训教程[M]：基础知识 零部件.北京：新华出版社

[4]寿比南，杨国义，徐锋，谢铁军. GB 150—2011 《压力容器》标准释义[M].北京：新华出版社

[5] 占双林 袁玲 不同标准大开孔补强计算方法的分析比较 化工机械 2013 748~752