壓力容器一旦發(fā)生事故，危害很大，因此壓力容器的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。對(duì)于壓力容器的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法一般有兩種：一是等面積法，二是分析法。本文對(duì)這兩種方法作以比較和分析。
    在石油化工行業(yè)中，壓力容器上的開(kāi)孔是不可避免的，如要開(kāi)進(jìn)料口、出料口、人孔等。容器開(kāi)孔后，一方面由于器壁承受載荷截面被削弱，引起局部應(yīng)力的增加和容器承載能力的減弱；另一方面，器壁開(kāi)孔和接管也破壞了原有結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，在工藝操作條件下，接管處將產(chǎn)生較大的彎曲應(yīng)力，開(kāi)孔邊緣會(huì)出現(xiàn)很高的應(yīng)力集中，形成了壓力容器的薄弱環(huán)節(jié)。因此，設(shè)計(jì)上必須對(duì)開(kāi)孔采取有效的補(bǔ)強(qiáng)措施，使被削弱的部分得以補(bǔ)償。
    開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)基本原理
    2.1.等面積法
    該法是以受拉伸的開(kāi)孔大平板作為計(jì)算模型的，即僅考慮容器殼體中存在的拉伸薄膜應(yīng)力，且以補(bǔ)強(qiáng)殼體的一次總體平均應(yīng)力作為補(bǔ)強(qiáng)原則。當(dāng)開(kāi)孔較小時(shí)，開(kāi)孔邊緣的局部應(yīng)力是以薄膜性質(zhì)的應(yīng)力為主的，但隨著殼體開(kāi)孔直徑增大，開(kāi)孔邊緣不僅存在很大的薄膜應(yīng)力，而且還產(chǎn)生很高的彎曲應(yīng)力。
等面積法的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)所形成的應(yīng)力集中在某一區(qū)域內(nèi)，當(dāng)離孔邊緣的距離越大，越接近薄膜應(yīng)力。它的特點(diǎn)是：角焊縫，具有應(yīng)力突變，易產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，受力狀態(tài)不好。
    2.2.分析法
    這種補(bǔ)強(qiáng)方法是以殼體極限分析為基礎(chǔ)的，相對(duì)等面積法合理得多，但須受開(kāi)孔殼體和補(bǔ)強(qiáng)接管的尺寸限制。這種方法優(yōu)點(diǎn)是：克服等面積法的缺點(diǎn)，在轉(zhuǎn)角處采用圓滑過(guò)渡，減少結(jié)構(gòu)形狀的突變，減小應(yīng)力集中程度。將補(bǔ)強(qiáng)面積集中在應(yīng)力最高點(diǎn)，充分利用補(bǔ)強(qiáng)面積，使補(bǔ)強(qiáng)更經(jīng)濟(jì)、合理。
    對(duì)比分析
    3.1.等面積法
    等面積法顧名思義：殼體截面因開(kāi)孔被削弱的承受強(qiáng)度的面積，須有補(bǔ)強(qiáng)材料予以等面積補(bǔ)償，其實(shí)質(zhì)是殼體截面因開(kāi)孔喪失的強(qiáng)度，即被削弱的“強(qiáng)度面積”A乘以殼體材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力[σ]^t，即A[σ]^t，應(yīng)由補(bǔ)強(qiáng)材料予以補(bǔ)償，當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)材料與殼體材料相同時(shí)，則補(bǔ)強(qiáng)面積就等于削弱的面積，故稱等面積法。
    由于該方法僅從計(jì)算截面的一次平均應(yīng)力概念出發(fā)，只考慮殼體計(jì)算截面的承載能力與內(nèi)壓的平衡，因此是屬于滿足靜力強(qiáng)度的簡(jiǎn)單方法。它對(duì)開(kāi)孔結(jié)構(gòu)安定性的保障是通過(guò)雙向受拉伸的無(wú)限大平板開(kāi)孔問(wèn)題所導(dǎo)出的孔邊應(yīng)力集中系數(shù)≤3的模型近似加以考慮的，不過(guò)，此法由于長(zhǎng)時(shí)間的使用，一般壓力容器使用條件也能滿足安定性要求，因此在工程設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用。
    3.2.分析法
    該方法是基于較復(fù)雜的殼體極限分析方法，即根據(jù)塑性失效的觀點(diǎn)，假定部件由彈性—理想塑性材料構(gòu)成，認(rèn)為結(jié)構(gòu)在相當(dāng)多的部分發(fā)生屈服前不產(chǎn)生變形，且不考慮殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)加載時(shí)，最初材料呈彈性變形，隨著載荷的繼續(xù)增加，將在某處產(chǎn)生屈服。當(dāng)載荷進(jìn)一步增加時(shí)，屈服層便擴(kuò)展以至增加到足以引起恒定載荷作用下產(chǎn)生流動(dòng)，這時(shí)的載荷便稱作極限載荷，其分析方法也稱作極限分析法。
    由于該方法僅從開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的極限載荷出發(fā)，也是一種考慮靜力強(qiáng)度的計(jì)算方法。采用此方法計(jì)算時(shí)，其開(kāi)孔附近應(yīng)力集中區(qū)的最大應(yīng)力將允許有較高的許用值，結(jié)果將使開(kāi)孔附近的最大應(yīng)力作用沿著整個(gè)壁厚方向發(fā)生屈服，但是，由于它是局部的，因而不會(huì)導(dǎo)致容器失效。
    從以上數(shù)據(jù)可以看出，分析法無(wú)論從受力、還是補(bǔ)強(qiáng)厚度上都比等面積補(bǔ)強(qiáng)法優(yōu)越得多，但分析法無(wú)論從選材還是制造上要求都很嚴(yán)格，必須將接管根部與殼體連接處做成一整體結(jié)構(gòu)，適合于高壓容器的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)，而等面積補(bǔ)強(qiáng)法更適合中低壓容器的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)。
    適用范圍
    4.1.等面積法
    適用于壓力作用下殼體和平封頭上的圓形、橢圓形或長(zhǎng)圓形開(kāi)孔。當(dāng)在克體上開(kāi)橢圓形或長(zhǎng)圓形孔時(shí)，孔的長(zhǎng)徑與短徑之比應(yīng)不大于2.0。
    4.1.1.對(duì)于圓筒
    當(dāng)筒體內(nèi)徑D_i≤1500mm時(shí)，開(kāi)孔最大直徑 d_op≤ D_i ，且d_op≤520mm；
    當(dāng)筒體內(nèi)徑D_i＞1500mm時(shí)，開(kāi)孔最大直徑  d_op≤ D_i ，且d_op≤1000mm。
    4.1.2.凸形封頭或球殼的開(kāi)孔最大直徑d_op≤ D_i 。
    4.1.3.錐形封頭開(kāi)孔的最大直徑d_op≤ D_i ，D_i為開(kāi)孔中心處的錐體內(nèi)直徑。
    注：開(kāi)孔最大直徑d_op對(duì)橢圓形或長(zhǎng)圓孔開(kāi)孔指長(zhǎng)軸尺寸。
    4.2.分析法
    本方法是根據(jù)彈性薄殼理論得到的應(yīng)力分析法，用于內(nèi)壓作用下具有徑向接管圓筒的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，其適用范圍如下：
    4.2.1.d ≤0.9 D ，且max[0.5,d/D] ≤σ_et/σ_e≤1.5。
    設(shè)計(jì)舉例
    在牙哈項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的12.6-1200×6000高壓計(jì)量分離器，它的設(shè)計(jì)條件是：設(shè)計(jì)壓力為12.6MPa，設(shè)計(jì)溫度為50℃，筒體直徑為DN1200mm，開(kāi)孔從DN25～DN400不等。下面以一個(gè)DN450開(kāi)口接管為例說(shuō)明密集補(bǔ)強(qiáng)法的優(yōu)越性：首先按照內(nèi)壓容器計(jì)算公式，如果開(kāi)DN450的孔，采用等面積法，由于開(kāi)口補(bǔ)強(qiáng)，筒體厚度應(yīng)為64mm，如果按照分析法計(jì)算，同樣接管厚度為48mm不變的情況下，筒體厚度為58mm，減薄了6mm。

    通過(guò)以上分析比較，容器除了受內(nèi)壓外，在接管上還有各種外載及溫度的作用，因此，開(kāi)孔以后不但削弱了器壁強(qiáng)度，并在開(kāi)孔周圍產(chǎn)生了局部峰值應(yīng)力，其數(shù)值很大，通常達(dá)到正常應(yīng)力的5-6倍，因此容器破壞除了因材質(zhì)、制造等原因引起以外，開(kāi)孔附近應(yīng)力集中也是容器破壞的一個(gè)相當(dāng)重要的原因。壓力容器往往是石油、化工生產(chǎn)中的主要設(shè)備，制造要求較高，金屬消耗量大，因此設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)使用條件、制造、安裝等全面考慮。針對(duì)某一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)具體分析，使筒體的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算更經(jīng)濟(jì)、合理、減少投資，因此正確計(jì)算開(kāi)孔附近局部應(yīng)力大小并選擇恰當(dāng)?shù)牡难a(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法是非常重要的。