壓力容器是盛裝壓力介質(zhì)的密閉容器，被廣泛地應(yīng)用于石油、化工、輕工及醫(yī)藥等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活的各個領(lǐng)域。根據(jù)不同的生產(chǎn)用途，壓力容器有各種不同的尺寸、容積和形狀，可以承受大小不同的壓力和不同的溫度條件，所盛裝的介質(zhì)可以是不同形態(tài)的物料，或者具有特殊的化學(xué)腐蝕、易燃、易爆或毒性危害特性的介質(zhì)。壓力容器的建造和使用涉及生產(chǎn)設(shè)備和生命安全，因此，壓力容器的合理設(shè)計至關(guān)重要。

　　在各行業(yè)的壓力容器中，由于各種不同的生產(chǎn)需求，壓力容器必須安裝接管，從而需在容器上開孔。開孔后，除容器殼體的強(qiáng)度被消弱外，并且由于容器的連續(xù)性結(jié)構(gòu)被破壞，在管殼連接處的附近(開孔邊緣的附近區(qū)域)會產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，在此區(qū)域形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，成為疲勞破壞和脆性裂紋的破壞源。應(yīng)力集中有局部性和自限性兩個特點(diǎn)，應(yīng)力值會隨著距開孔邊緣距離的增大而減弱，因此可以采用在開孔附近局部補(bǔ)強(qiáng)的方法來降低該區(qū)域的應(yīng)力集中，即對各種型式的開孔應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。本文主要對等面積法和壓力面積法兩種方法進(jìn)行分析。我國GB150、JB4732標(biāo)準(zhǔn)采用的開孔補(bǔ)強(qiáng)計算方法是等面積法，原西德AD規(guī)范中的開孔補(bǔ)強(qiáng)方法采用的是壓力面積法。

　　1 補(bǔ)強(qiáng)原理

　　壓力容器殼體開孔以后，孔邊可引起三種應(yīng)力：局部薄膜應(yīng)力(屬于一次應(yīng)力)、彎曲應(yīng)力(屬于二次應(yīng)力)、峰值應(yīng)力。等面積法是以雙向受拉伸的無限大平板上開有小孔時孔邊的應(yīng)力集中作為理論基礎(chǔ)的，即僅考慮殼體中存在的拉伸薄膜應(yīng)力，且以補(bǔ)強(qiáng)殼體的一次應(yīng)力強(qiáng)度作為設(shè)計準(zhǔn)則。對孔邊緣的二次應(yīng)力并未校核，是通過限制開孔形狀、長短徑之比和開孔范圍加以考慮，使孔邊的局部應(yīng)力得到約束，對孔邊緣的峰值應(yīng)力問題未加考慮，為此不適用疲勞容器開孔補(bǔ)強(qiáng)。由于補(bǔ)強(qiáng)計算對象是薄膜應(yīng)力，未計及開孔邊緣的彎曲應(yīng)力，而大開孔時，孔邊出現(xiàn)較大的彎曲應(yīng)力，故不適用大開孔。等面積法要求殼體開孔以后，失去的金屬量需有補(bǔ)強(qiáng)材料在殼體和接管連接的附近區(qū)域予以補(bǔ)償，補(bǔ)償?shù)慕饘倭坎坏眯∮谝蜷_孔殼體失去的金屬量，金屬量的判別按開孔截面的投影面積計算。

　　壓力面積法與等面積法一樣，都是基于靜力平衡，即以開孔有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的金屬截面積(包括殼體、接管、補(bǔ)強(qiáng)材料等)的承載能力與內(nèi)壓力載荷相平衡為準(zhǔn)則的計算方法，計算只涉及補(bǔ)強(qiáng)材料的薄膜應(yīng)力。

　　2 補(bǔ)強(qiáng)范圍

　　等面積法：對殼體有效補(bǔ)強(qiáng)范圍B取為開孔直徑2倍，即B=2d，是以受均勻拉伸的開小孔大平板的計算原理，孔邊應(yīng)力集中范圍進(jìn)行考慮的，由此假設(shè)殼體自開孔邊緣起算的有效補(bǔ)強(qiáng)寬度為d/2。主要是開孔直徑的選取，具體見GB150.3-2011。

　　壓力面積法：對殼體有效補(bǔ)強(qiáng)范圍為 Dδ (自邊緣起算)，其中D為殼體中徑，δ為殼體有效厚度，考慮的是圓筒殼體在端部均勻力作用時，殼體中局部環(huán)向薄膜應(yīng)力的衰減范圍。

　　綜上可以看到，對于殼體有效寬度，等面積法只取決于開孔直徑大小這一個因素;而壓力面積法與兩個因素有關(guān)，一是開孔殼體的直徑、一是開孔殼體的壁厚，但是與開孔直徑的大小無關(guān)。為此，對殼體是大直徑的開孔接管，通常 Dδ >d/2，那么壓力面積法的有效寬度較大，殼體用于補(bǔ)強(qiáng)的面積多于等面積法，則另行補(bǔ)強(qiáng)面積就相對較少;對小直徑低壓容器， Dδ

　　3 理論分析

　　等面積法：若Ae≥A，則開孔不需另加補(bǔ)強(qiáng);若Ae< A，則開孔需另加補(bǔ)強(qiáng)，需另加補(bǔ)強(qiáng)面積為A4≥A-Ae。

　　Ae為在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積：Ae=A1+A2+A3。

　　式中：A1殼體有效厚度減去計算厚度之外的多余面積，A2接管有效厚度減去計算厚度之外的多余面積，A3焊縫金屬截面積，A4有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)另加的補(bǔ)強(qiáng)面積，A為殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積。

　　等面積補(bǔ)強(qiáng)法是基于殼體開孔前后局部截面的抗拉承載能力，即拉伸強(qiáng)度不變的準(zhǔn)則。

　　壓力面積法：

　　(Ap/Aσ+1/2)P≤[σ]

　　該式經(jīng)變形為：

　　AP*P≤Aσ*([σ]-P/2)

　　式中：Ap有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)壓力的作用面積，Aσ殼體、接管、補(bǔ)強(qiáng)元件的有效承載面積，P圓筒設(shè)計壓力，[σ]補(bǔ)強(qiáng)材料許用應(yīng)力。該式是以有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)受壓面積與承載面積的力平衡為基礎(chǔ)的，即壓力在殼體受壓面積上形成的載荷與有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)殼體、接管以及補(bǔ)強(qiáng)材料的面積具有的承載能力相平衡。

　　結(jié)語

　　等面積法和壓力面積法的補(bǔ)強(qiáng)原理是相同的，但二者的補(bǔ)強(qiáng)范圍是不同的。由于等面積法是基于大平板開孔，當(dāng)開孔直徑d與殼體直徑D之比(d/D)較小時，開孔周邊的殼體近似地以大平板考慮，不會引起很大的偏差。當(dāng)開孔較大，即d/D較大時，有效補(bǔ)強(qiáng)范圍壓力面積法取的相對較小，需要額外的補(bǔ)強(qiáng)面積就較多，且離開孔邊緣近，使局部應(yīng)力集中水平降低，故壓力面積法一般用于開孔率較大的場合，通常可用于開孔直徑與殼體外直徑之比小于等于0.8，但使用時有一些限制條件，具體見HG20582-2011，等面積法的適用范圍見GB150.3-2011。目前，壓力面積法在我國還沒當(dāng)做合法依據(jù)，當(dāng)殼體開孔超出GB150.3-2011規(guī)定時，該法可參考使用。但是，對有疲勞強(qiáng)度要求的開孔補(bǔ)強(qiáng)計算，等面積法和壓力面積法均不適用。