管道大开孔补强设计方法

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摘要 介绍了当前压力管道大开孔补强计算的工程现状。并对国内外常规工程设计方法进行了综述。提出GB 150-2011版设计篇第6.6节圆筒径向接管开孔补强设计的分析法是解决压力管道大开孔补强简洁有效的设计方法。

中图分类号：TU81文献标识码：A 文章编号：

一、前言

随着现代石油化工的发展，管线开孔接管及补强结构已成为管道系统中最常用的结构方式。随着工艺要求的提高，管线开孔在没有标准管件可用的情况下，大口径管道上直接开孔焊接支管是管道设计时经常会遇到的问题，由于开孔面积较大，需要对开孔处进行详细核算以确定是否需要补强。若需要补强，要根据具体情况、相关标准规范来进行计算和判断，找出最适合的补强方式，并根据计算补强的具体参数要求进行开孔补强，核算结果的准确与否及开孔补强是否足够将影响管道的安全平衡运行。

二、开孔补强理论基础

管道开孔并带有接管后和未开孔管道相比(见图1)，引起了三个问题，即:一是由于开孔而使主管承载截面积的削弱，其值为diδn；二是主管上因开孔而引起的孔边应力集中，其存在范围(从接管外侧起量)，大致为di/2;三是因接管和主管构成了不连续结构，因而在主管上引起了附加的不连续应力，其存在范围(从接管外侧起量)，大致和不连续应力的衰减范围成正比:这三者对主管管体(对接管，则是从主管表面起的接管不连续应力存在范围内接管应力增大)的最终影响是，在接管周围一定范围内应力的增大，暂不讨论如何对这些应力进行分类，接管周围应力的增大总会降低壳体的承载能力，所以必须“补强”。

图1主管上的径向接管

三、开孔补强设计方法

1、等面积补强

GB50253 《输油管道工程设计规范》5.4.9所介绍的补强计算法即为等面积补强法，也是目前计算压力管道开孔补强最常用的一种计算方法。等面积补强法从补强角度讲，壳体由于开孔丧失的拉伸承载面积应在孔边有效补强范围内等面积的进行补强。当补强材料与壳体相同时，所需的补强面积就与壳体开孔削弱面积的强度面积相等。等面积补强法是以补强开孔局部截面积的拉伸强度作为补强准则的，为此其补强只涉及静力强度问题。

等面积补强的力学基础是无限大平板开小孔，忽略了开孔处应力集中和开孔系数的影响，粗略的认为在补强范围内补强金属的均匀分布降低了孔边缘的应力集中作用。对于开孔边缘的二次应力的稳定性问题是通过限制开孔形状和开孔范围加以考虑的。等面积法基于无限大平板开孔小孔的假设,未能体现局部弯曲应力影响,这种基于板壳理论的简化方法,不适合大开孔的计算,因此GB50253规定开孔直径不得大于主管直径的1/2。

2、压力面积法

压力面积法是G20582- 2011《钢制化工容器强度计算规定》介绍的大开孔计算方法，来源于西德AD规范B9补强设计的规定，这是一种近似的分析方法，基本上是一种经验的极限分析方法。它根据试验应变测量，对具有各种尺寸的开孔与带有齐平径向接管的圆筒形容器上做了一系列压力试验，以壳体开孔接管处产生0. 2%的应变所需的压力导出削弱系数，并绘制成曲线。在确定补强设计时，需将削弱系数值代入壳体厚度公式中进行计算，并将开孔率限制在0.8 。该法在本质上仍与等面积法相同,对于开孔边缘应力只考虑满足一次总体及局部薄膜应力的静力要求。

压力面积法的基本出发点是，对于内压壳体，是以压力载荷的面积和壳体、接管、补强件的承载截面积之间相互平衡为基础的，即由压力载荷的面积对压力乘积所表示的载荷和壳体、接管、补强件承载横截面积对材料许用应力的乘积之间相互平衡，在工程实践中往往应用于低压容器开孔补强的计算中，该方法在计算高压管道大开孔补强时，其结果往往是偏冒进的，随着新版G20582的，其方法的适用范围受到更加严格的限制，因此压力面积法不适合压力管道开孔补强计算。

3、有限元分析法

使用ASME法计算分析了一受内压模型压力管道大开孔补强结构,用极限分析法求出其极限载荷和设计载荷,并用分析设计法进行了验证，是一种安全可靠的计算方法。但是如采用有限元分析,对设计人员要求高,如果从设计成本、人员资质和效率上考虑，有限元分析法很难满足工程要求。

四、大开孔补强应力分析法

无论是等面积法、压力面积法这种基于经验的设计方法，还是有限元这种数值分析方法，对于解决压力管道大开孔补强的问题都存在着各自的缺陷。因此工程上急需一种便于应用、适用范围广、并具有必要精度的设计方法，由此看来理论解成了唯一的出路。如图2 所示，两个圆柱壳的交贯线是一条复杂的空间曲线，在大开孔的条件下主管展开面上的孔边界不能简化为圆，支管段也不能简化为平面。由此造成了交贯线处连续条件的数学表达式极为复杂，其结果要归结为两个联立的八阶偏微分方程，在数学上存在极大的困难。

新版GB 150-2011版设计篇第6.6节圆筒径向接管开孔补强设计的分析法，是在该版国家标准中新加入的内容，是根据我国自主研发的薄壳理论解得到的应力分析方法，是我国学者薛明德、黄克智等人经过近三十年研究的成果，分析法很好的解决的上述难题，并将开孔率扩大到了0.9。其计算过程如下：

图2受压管道开孔接管图

1)根据主管与接管中面直径D,d,及其有效厚度δe、δet计算开孔率ρ0=d/D, δe /δet和无量纲

参数λ=ρ0 （D/δe）0.5=d/（Dδe）0.5

2)由ρ0,λ, δe /δet查曲线图组6-13,得到一次局部薄膜应力强度集中系数Km和一次加二次应力强度集中系数K;标准中给出了开孔率分别为Q=0.1,0.2......0.8的Km,K共16套曲线族;

3)根据设计压力p计算得到圆筒的总体环向薄膜应力σ=pD /2δe,以及SⅡ =Km·σ,SⅣ= K·σ;

4)校核SⅡ≤2.2[σ]t、SⅡ≤2.6[σ]t

5)如不满足(4),调整结构,重新按步骤(1)~(4)核算。

五、结论

大开孔补强应力分析法是基于弹性薄壳理论的计算方法,很好地体现危险截面的应力集中情况，为压力管道大开孔补强设计提供了一种安全快捷的计算方法。

参考文献（五号黑体）

[1] GB 150-2011：压力容器

[2] GB 150-2011：压力容器标准释义

[3] GB 50253-2003：输油管道工程设计规范

[4]薛明德，黄克智，李世玉：压力容器设计方法的进步、化工设备与管道、2010 47(6)、1-13.