ASME VIII-1 UG-37开孔补强修正系数F的理解

在ASME VIII-1规范UG-37中有一个系数F,对于该系数规范的定义为:“修正系数,用于补偿相对于容器轴线不同平面上内压应力的变化,除了对于圆筒与锥形壳体上开孔的整体补强可采用图UG-37外,对于其他的结构F=1.0”。从参数定义中能够看出F应用于壳体和锥体上的整体开孔补强。

  1. 整体补强及适用场合

在ASME规范中对整体补强的定义是这样的:加长或加厚接管,加厚壳体,插入式的锻件补强,壳体或接管的堆焊。在UW-16.1中属于整体补强的结构包含:(a),(b),(c),(d),(e),(f-1),(f-2),(f-3),(f-4),(g),(x-1),(y-1),(z-1)其中最常用的结构是(a), (b), (c),(d),(e)和(g)。整体补强一般适用于:设计压力≥4MPa;设计温度大于350℃;致死介质的压力容器;疲劳压力容器;补强圈不能满足结构要求;铬钼钢等高强钢制造的压力容器;低温容器推荐用整体补强。

  1. 系数F的运用

首先在计算开孔补强时,带修正系数F的包含开孔需要面积和壳体上贡献的面积,即:

从图UG-37可以看出,当接管轴线平面与壳体纵轴夹角为0°时,F=1.0,而随着夹角的增大,F的取值随之降低,当夹角为90°时F=0.5。

从计算公式可以看出,随着夹角的增大,开孔需要的补强面积逐渐降低,而壳体上贡献的面积会逐渐增大,然而当夹角增大时,开孔直径也会随之而增大,但是开孔直径的增加带来需要面积的增加速率往往低于修正系数F对需要补强面积的降低与壳体贡献面积增加叠加后的速率。因此偏心管往往需要的开孔面积会少于径向的开孔补强面积。

3.应力分析验证计算结果

分析条件:应力合成规范ASME VIII-2,也就是第四强度理论。壳体I.D.2000mmX12mm,材料SA-516 70;接管NPS10XSch80材料SA-106 B。通过Nozzle-FEM分析接管位于径向,偏心300mm,500mm,800mm时壳体和接管上的应力。

对比上面的分析数据可以得到如下对比结果:

从应力分析的结果可以得出,随着接管偏心量的逐渐增大,壳体上的Pl,壳体外表面的Pl+Pb+Q的应力都是降低的,壳体内表面的Pl+Pb+Q的应力是先增加后降低的,而接管上的应力一直呈现增大的趋势。

为此,对于锥体和柱壳上整体补强的偏心接管的开孔补强提出如下建议:

虽然随着接管偏心量的增大,开孔直径的增大,根据等面积补强法,需要补强的面积是小于径向接管的,而壳体上贡献的补强面积会随着开孔直径的增大而增大。根据有限元分析的结果可以知,壳体上的应力是逐渐降低的而接管上的应力是逐渐增加的,但是却没有等面积补强计算结果那样明显,所以在进行偏心接管的开孔补强计算时要保留一定的余量或者采用有限元分析的方式。

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