管道开孔补强计算程序
管道开孔补强
正常最高压力
P0 MPa 已知
设计压力
P MPa 1.1P0
正常最高温度
T0 ℃
已知
设计温度
T' ℃
T0+30
设计温度下材料的许用应力 [σ] MPa 查表A.0.1, GB8163 , 20
主管名义外径
D0 mm 已知
主管设定壁厚
T mm 设定
主管内径
Di mm D0-2T
焊接接头系数
E—
查表3.2.5
主管厚度减薄附加量
C1 mm 查表
主管腐蚀附加量
C2 mm 查表
厚度附加量之和
C mm C1+C2
系数
Y — (Di+2C)/(Di+D0+2C)
主管计算厚度
Ts mm PD0/(2[σ]E+YP）
主管设计厚度
Tj mm Ts+C
判别式：当T>Tj时设定壁厚有效。
支管轴线与主管轴线的夹角 α o
已知
扣除附加量后支管内径
d mm d0-2t1+2(C1'+C2')
主管上斜开孔的长度
d1 mm d/sinα
补强区有效宽度
B mm 2d1和d1+2(T+t1)-2(C1+C1'+2C2)
补强板名义厚度
tr mm 设定
补强板减薄附加量
Cr mm 查表
焊角高度
e mm 已知
主管外侧法向补强有效高度 h1 mm 2.5(T-C1-C2)和2.5(t1-C1'-C2)+tr
开孔与开孔补强的计算编程
第一章绪论1.1开孔补强的重要性在压力容器设计中，为满足工艺操作，容器制造、安装、检验及维修等要求，开孔是不可避免的。
由于容器开孔以后，不仅消弱了容器的整体强度，而且还因开孔引起的应力集中以及接管和容器壁的连接造成开孔边缘的局部的高应力，这种高应力可以达到容器筒体一次总体薄膜应力的3倍，某些场合甚至会达到5~6倍，再加上接管有时还会受到各种外加载荷的作用而产生的应力温差产生的热应力，使得开孔接管处的局部应力进一步的提高。
又由于材质和制造缺陷等各综合作用，开孔接管附近就成了压力容器的破坏源—主要疲劳破坏和脆性裂口。
因此，压力容器设计中必须充分考虑开孔的补强问题。
1.2 开孔补强的设计方法(一)等面积补强法采用此方法要求容器开孔后,在容器和接管连接处周围的补强金属必须等于或大于开孔缩消弱的金属量(已通过孔截面的投影面积计算)。
它是根据补强后，强度安全系数为4~5的经验制订，希望不降低容器开孔后的平均应力。
这种补强方法比较安全可靠，使用简便，就是在接管同时受到内压、弯矩、推力等作用也能够给出足够的安全裕度。
但对不同的接管进行补强时，会得到不同的应力集中系数。
等面积补强应以在开孔中心截面上的投影面积进行计算，使补强材料的截面积不小于因开孔而挖掉的金属面积。
补强材料一般需与壳体材料相同，补强材料许用应力小于壳体的时，补强面积按壳体材料与补强材料许用应力之比而增加。
若补强材料的许用应力大于壳体的许用应力，所需的面积不得减少。
(二)根据弹塑性失效准则的设计方法这种补强方法，允许补强后的容器在开孔附近出现塑性变形。
在一次加载过程中出现的一定量的塑性变形，在第二次以后的重复加载中，除了蠕变效应外，不会再出现新的塑性变形。
只要一次应力加上二次应力小于三倍许用应力即两倍的屈服应力，容器就认为是安定的。
这种补强方法是根据美国压力容器研究委员会(PVRC)在圆筒和球壳上装有单根圆筒形径向接管的研究结果得出，其基本的出发点是从应力分类中的安定性概念出发，为维持开孔接管区的安定而僵局部高应力点的虚拟应力限制于δ2s,且将开孔并补强后壳体的屈服压力维持在为开孔时的98%的屈服压力。
开孔补强计算GB150-2011等面积补强法_单孔
接管实际外伸长度
150.00 mm 接管有效外伸长度 h1
18.87 mm
接管实际内伸长度
0.00 mm 接管有效内伸长度 h2
0.00 mm
开孔削弱所需的补强面积 A
A=dδ+2δδt(1-f)
798.8 mm2
壳体多余金属面积 A1
A1=(B-d)(S-δ-C)-2St(S-δ)(1-f)
180.2 mm2
钢板负偏差及腐蚀裕量 C
1.0 mm
接管外径 d ’
89.0 mm
接管外径 d (最大尺寸）
89.0 mm
接 接管材料
20
[σ] 接管许用应力
[σ]t
131.00 MPa
补强圈材料
—
补 131.00 MPa
补强圈许用应力 [σ]rt
131.00 MPa
接管焊接接头系数 φ1 接管厚度 St 管 接管负偏差及腐蚀裕量 C1 接管强度削弱系数 f
551 mm2
结：
补强满足要求
0.9 4.00 mm
1.0 mm 1
强 补强圈外径 d2 补强圈厚度 S1t 补强圈负偏差及腐蚀裕量
圈 C2 补强圈强度削弱系数 fr
178 mm 12 mm 1 mm 1
开孔直径 di
89.0 mm 补强区有效宽度 B
178.00 mm
壳体计算厚度 δ
8.976 mm 接管计算厚度 δt
1.422 mm
设计条件
简图
设计压力 Pc
0
1.05 MPa
设计温度 t
200 ℃
椭圆形封头长短轴之比 过渡区半径与球面半径之 比 壳体内直径Di
开孔处焊接接头系数 φ
开孔补强计算
mm2
A1+A2+A3=1853.34
mm2，小于A，需另加补强。 A4=A-Ae=7504.74-1863.34=5651.42
补强圈面积A4
mm2
A-(A1+A2+A3)
mm2
结论:合格
mm
补强圈强度削弱系数frr
0
接管材料强度削弱系数fr
1
开孔补强计算直径d
633
mm
补强区有效宽度B
1006
mm
接管有效外伸长度h1
83.9
mm
接管有效内伸长度h2
0
mm
开孔削弱所需的补强面积A
7504.76
mm2
壳体多余金属面积A1
794.74
mm2
接管多余金属面积A2
994.55
mm2
补强区内的焊缝面积A3
2.5
mm
壳体腐蚀裕量C2
1.5
mm
壳体材料许用应力[σ]t
163
MPa
接管轴线与筒体表面法线的夹角(°)
0
凸形封头上接管轴线与封头轴线的夹角(°)
接管实际外伸长度
290
mm
接管连接型式
插入式接管
接管实际内伸长度
0
mm
接管材料
16Mn
接管焊接接头系数
1
名称及类型
管材
接管腐蚀裕量
1.5
mm
补强圈材料名称
凸形封头开孔中心至
封头轴线的距离
mm
补强圈外径
mm
补强圈厚度
mm
接管厚度负偏差C1t
1.4
mm
补强圈厚度负偏差C1r
mm
压力管道设备开孔补强计算方法探讨
[1]周冬雨，压力管道设备开孔补强计算方法研究.2018.
[2]郎图婷，浅谈压力管道设备开孑L补强计算方法探讨.2018.
总之，开孔补强的计算方法大体分为两种，一种是按照压力容器开孔补强方法，另一种是按照压力管道设备有关标准的要求进行计算或补强核算，这两种计算方法的理论基础均为等面积补强。用等面积补强法计算或者核算开孔补强时会有所不同，具体采用哪种方法，需在满足相应标准的前提下，根据环境、材料及工程具体情况等因素来选择，使工程设计更加合理准确。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。
2.许用应力取值方法不同。采用前者方法计算时的许用应力可以在文献中直接查取，而采用后者计算方法时则通过查取材料的屈服强度后乘上设计系数得出。这两种方法会使同种材料许用应力的取值有不小的差异，导致简体的计算壁厚也相差不少。另外，如果在文献[1]中查取材料的许用应力，那么文献中没有列出的材料就无法查到相应的许用应力值。而采用后者计算方法，只要知道材料的屈服强度和设计系数就可以计算出许用应力值。适用范围广泛。
压力管道设备开孔补强计算方法探讨
摘要：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。
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的发布，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。
管道壁厚及开孔补强程序
δn
mm
5
Di
mm
123.00
AR
mm2
66.92
a
mm
4
A1
mm2
174.584375
A2
mm2
198.3676758
A3
mm2Leabharlann 32Aemm2
404.9520508
无须补强
备注 请输入数据 请输入数据
可变 0.4-0.6 ≤120℃取1 加0—2为取用壁厚
0
温度
℉
℃
250或以下 121或以下
1.706349206 14.72272727 25.122114
项目 计算压力Pc 支管外径 设计强度系数F 温度折减系数 支管计算壁厚δt 腐蚀余量C1 支管名义壁厚 支管内径 补强外侧高度H1 补强内侧高度H2 材料强度＆ 主管外径 主管计算壁厚δ 腐蚀余量C2
开孔补强计算
公式代号 Pc d0 F t δt C1 δnt di h1 h2 ＆ D0 δ C2
单位 Mpa mm
mm mm mm mm mm mm Mpa mm mm mm
输入数据 2
60.3 0.4 1
0.628125 2.00
6
48.30 15.00 3.463541667
240
133
1.385416667 2.00
主管名义壁厚 主管内径
开孔削弱面积AR 焊缝脚高
补强面积A1 补强面积A2 补强面积A3 总补强面积Ae
温度折减系 数t
1
300
149
0.967
350
177
0.933
400
204
0.9
开孔补强计算ZH
设计系数 0.3 多余焊缝面积(mm2) 0
接管实际壁厚(mm) 33.4 有效补强高度(mm) 164.7853149 L(mm) 406.5
需要补强面积(mm2) -562.0368514
接管材料屈服强度(MPa) 450 主管多余面积(mm2) 12466 H(mm) 164.7853149
工作压力(MPa) 6 接管多余面积(mm2) 5053.416323力容器GB150-1998 P74 主管口径(mm) 主管实际壁厚(mm) 主管材料屈服强度(MPa) 接管口径(mm) 813 33.4 450 813 主管计算壁厚(mm) 接管计算壁厚(mm) 有效补强宽度(mm) 强度削弱系数 18.06666667 18.06666667 1 1626 2 2 开孔削弱面积(mm ) 需要补强面积(mm ) 主管补强圈厚度h(mm) 接管补强圈厚度h0(mm) 14688.2 -2831.216323 10 10 说明： 1.需要补强面积≤0时说明不必另外补强 2.实际补强面积≥需要补强面积时满足补强要求 3.实际多余焊缝面积≥0，取0为保守算法 4.表格中字母含义请参见《上海燃气工程设计研究有限公司标准图集》之T-7-07-1 输气管道工程设计规范GB50251-2003 接管内径(mm) 746.2 A1(mm2) 11441.73333 补强区高度H(mm) 84.83641907 A2(mm2) 2601.650185 A3(mm2) 0 AR(mm2) 13481.34667 P59
开孔补强计算(接管计算厚度按内径算)
3.5 0.95 800 25 0.75 0 68
Mpa mm mm mm mm Mpa
封头开孔补强计算 设计条件 封头 计算压力 pc 焊接接头系数 φ 壳体内直径 Di 开孔处名义厚度 δ n 壳体厚度负偏差 C1 壳体腐蚀裕量 C2 壳体材料许用应力 [σ ] 接管 实际外伸长度 L1 实际内伸长度 L2 焊接接头系数 φ 接管外径 do 名义厚度 δ nt 接管厚度负偏差 C1t 接管腐蚀裕量 C2t 接管材料许用应力 [σ ]t 补强圈
δ δ t fr dop B h1 h2
开孔所需补强面积 A 壳体多余金属面积 A1 接管多余金属面积 A2 焊缝金属面积 A3 A-A1-A2-A3 补强圈面积 A4A4- Nhomakorabea mm2
头开孔补强计算 设计条件 封头 3.5 1 800 21 0 0 68 接管 130 0 1 265 33 0 0 68 补强圈 0 mm 0 mm 0 mm 补强计算 20.857 5.257 1.000 199.000 398.000 81.03703 0 4150.466 27.02697 4496.485 64 -437.046 mm mm mm mm mm mm mm2 mm2 mm2 mm2 mm2 mm mm mm mm mm mm MPa Mpa mm mm mm mm Mpa
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1、主管计算厚度T s
T s :计算厚度；mm 0.414244186D
o :外径；mm
76［σ］t :在设计温度下材料的许用应力；MPa 137E j ：焊接接头系数；
1P：设计压力；MPa
1.5Y：系数；按表6.
2.1选取。
0.4T n :主管名义厚度；mm 4
2、支管计算厚度t s
t s :计算厚度；mm
0.207122093d o :外径；mm
38［σ］t :在设计温度下材料的许用应力；MPa 137E j ：焊接接头系数；
1P：设计压力；MPa
1.5Y：系数；按表6.
2.1选取。
0.4
3、开孔补强计算
（1）主管开孔所需补强面积 A
A：主管开孔所需补强面积；m㎡
14.45712209d 1:扣除厚度附加量后主管上斜开孔的长径；mm 34.9
管道开孔补强计算
[])
(2PY E PD T j t o
s +=σ)sin 2(1a d T A s -=a
d d sin /1=[])
(2PY E Pd t j t o
s +=σ
d:扣除厚度附加量后支管的内径；mm 34.9a：主管轴线与斜管轴线的夹角；
90（2）开孔补强有效补强范围有效补强宽度B=2d 1
69.8B=d 1+2(2t n )-2(2C 1+2C 2)41.1取较大值B mm 69.8有限补强高度h=2.5(t n1-C 1-C 2) 3.875t n :管子名义厚度；mm
3C 1：厚度负偏差；mm
0.45C 2:腐蚀余量；mm
1(3)补强范围内主管多余金属补强面积A 1
A 1=（B-d 1）(T n -T s -C 1-C 2)
74.53787791(4)补强范围内支管多余金属补强面积A 2
A 2=2h(t n -t s -C 1-C 2)/sina
10.40730378(5)角焊缝金属补强面积A 3
A 3=H 2
36H：角焊缝高度；mm
64、结论
120.9451817A=14.45712209
结论：合格
注：按GB50316-2000《工业金属管道设计规范》(2008版)计算A 1+A 2+A 3=a
d d sin /1
`。