我國(guó)在橢圓封頭上開(kāi)孔問(wèn)題的歷史沿革

1989年以前，我國(guó)尚無(wú)壓力容器標(biāo)準(zhǔn) ，整個(gè)70年代直至80年代末，是以《設(shè)計(jì)規(guī)定》的形式出現(xiàn)的，它也具有強(qiáng)制性的法律意義?！对O(shè)計(jì)規(guī)定》嚴(yán)格禁止在橢圓封頭的80%Di以外開(kāi)孔。

1989年我國(guó)建立了壓力容器的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB150，它同樣嚴(yán)格禁止在封頭的80%Di以外開(kāi)孔。

1998年執(zhí)行第二版GB150，此版有了一點(diǎn)變化：允許在封頭的80%Di以外開(kāi)孔了，但要求開(kāi)孔的中心線(xiàn)沿封頭表面的法線(xiàn)，以保證開(kāi)孔為圓形，而不是長(zhǎng)圓形，以使應(yīng)力集中的峰值不會(huì)太高。（說(shuō)明：實(shí)際上橢圓是一條變曲率的曲線(xiàn)，不存在法線(xiàn)，尤其在封頭80%Di處，曲率急劇變化，連近似的法線(xiàn)都畫(huà)不出來(lái)。所以這一條實(shí)際無(wú)法執(zhí)行。）

那個(gè)年代，一提到在橢圓封頭的80%Di以外的位置開(kāi)孔，真是談虎色變，唯恐避之不及。勞動(dòng)局也特變關(guān)注這個(gè)問(wèn)題，一旦有在這個(gè)禁忌位置開(kāi)孔的，立即判廢，毫不留情。

2011年執(zhí)行第三版GB150，此版對(duì)橢圓封頭上的開(kāi)孔未提任何要求。
 

2011版GB150的《標(biāo)準(zhǔn)釋義》對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的觀(guān)點(diǎn)，與該版GB150的正文大相徑庭。

2011版GB150的《標(biāo)準(zhǔn)釋義》（第142頁(yè)）明確指出：“出于安全考慮，建議開(kāi)孔盡可能位于80Di%范圍內(nèi)。這是因?yàn)閷?duì)于80%Di范圍以外的封頭轉(zhuǎn)角部分曲率變化大，應(yīng)力水平高，封頭與接管間的相貫導(dǎo)致受力情況與等面積法基本假設(shè)偏差較大，因此需在實(shí)際工程中盡量避免。”

等面積法是按在平板上開(kāi)孔做為力學(xué)模型推導(dǎo)出來(lái)的（由于焊上接管后，受力更復(fù)雜，所以等面積法還包含一定的經(jīng)驗(yàn)成分，不過(guò)這不是本文所要討論的，這里不再贅述）。而橢圓封頭80%Di以外的轉(zhuǎn)角部分，沿經(jīng)向的近似曲率半徑很小，而周向的曲率半徑又非常大，所以此處不僅不是平面，而且不是經(jīng)向和周向曲率半徑相等的球面，也不是經(jīng)向曲率半徑無(wú)限大，而只存在周向曲率半徑的圓柱面。這使得此處的開(kāi)孔遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離等面積法的力學(xué)模型，因此用GB150的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法算出的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)果與實(shí)際受力情況相差甚遠(yuǎn)，極不安全。

2011版GB150的正文與它的《標(biāo)準(zhǔn)釋義》為什么互相矛盾？

2011版GB150正文的主要編纂者就是2011版GB150《標(biāo)準(zhǔn)釋義》的編纂者；對(duì)《標(biāo)準(zhǔn)釋義》與標(biāo)準(zhǔn)正文的這個(gè)矛盾，我們應(yīng)當(dāng)從正面去理解，即這個(gè)矛盾必有其存在的合理理由。

現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題是很復(fù)雜的，往往是不能僅靠畫(huà)一條線(xiàn)就能妥善解決的，工程技術(shù)問(wèn)題既要符合安全性，又要考慮經(jīng)濟(jì)性，比如現(xiàn)在我們所討論的這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于這臺(tái)水解反應(yīng)器，如果安裝在橢圓封頭80%Di以外的不是加熱器，而僅僅是一個(gè)人孔，那么除了如上所訴述的由于開(kāi)孔位置所造成的受力嚴(yán)重不合理外，不會(huì)再附加其可以接受的

他的不利因素了。這時(shí)情況還不是太惡劣，其安全度在某種程度上還是可以接受的。（說(shuō)明：這僅僅是相對(duì)而言，也可能如果此處開(kāi)孔的僅僅是一個(gè)DN50的小管，其安全性才能達(dá)到可接受的程度。這個(gè)度如何把握，本人現(xiàn)在也無(wú)從下手，估計(jì)既要考慮開(kāi)孔的大小，接管的附加載荷，又要考慮介質(zhì)的危害程度。）。如果非要加大反應(yīng)器直徑，以使此人孔進(jìn)入封頭80%Di，當(dāng)設(shè)備非常大時(shí)，會(huì)造成不必要的浪費(fèi)；反之，雖不加大設(shè)備直徑，卻非要將人孔移至封頭的80%Di以?xún)?nèi)，又可能給使用帶來(lái)不便；這時(shí)，人孔安裝在封頭80%Di之外，則是合理選擇，即經(jīng)濟(jì)又適用，其安全度又可接受。尤其隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，設(shè)備大型化的趨勢(shì)越演越烈，從經(jīng)濟(jì)上考慮，這種選擇是很有價(jià)值的。這就是2011版GB150沒(méi)有提出 限制在封頭80%Di以外開(kāi)孔的道理所在。

 

除了由于在此處開(kāi)孔造成的危險(xiǎn)因素外，至少還要附加兩條不利因素：

（1）雖然設(shè)置了管束支撐，但由于設(shè)計(jì)和制造安裝都不可避免地存在誤差，所以必然會(huì)對(duì)此開(kāi)孔附加一個(gè)很大的彎矩，使開(kāi)孔處的應(yīng)力集中峰值進(jìn)一步增加。一般開(kāi)孔處此應(yīng)力峰值達(dá)到設(shè)備基本應(yīng)力的三倍（按變形量用彈性模量計(jì)算出的虛擬應(yīng)力，以下同。），有時(shí)甚至達(dá)到六倍以上。而在此封頭80%Di以外開(kāi)大孔，又加上上述的附加彎矩，此處的峰值應(yīng)力會(huì)更大，這就會(huì)使疲勞斷裂很快發(fā)生。

因?yàn)槠谇€(xiàn)的特點(diǎn)是：應(yīng)力越高，不產(chǎn)生疲勞失效所允許的循環(huán)次數(shù)越少。當(dāng)應(yīng)力高到一定程度，可能應(yīng)力循環(huán)十幾次，幾十次就會(huì)發(fā)生疲勞失效，一個(gè)壽命十幾年的設(shè)備正常開(kāi)停車(chē)的次數(shù)就會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于十幾次，幾十次，所以，此種狀況，發(fā)生疲勞失效的可能性還是較大的。

（2）作為一個(gè)U形管換熱器，振動(dòng)也是不可避免的，震動(dòng)會(huì)產(chǎn)生低應(yīng)力高循環(huán)疲勞失效。疲勞失效有兩種，一種是高應(yīng)力低循環(huán)疲勞，即上面所說(shuō)的，開(kāi)孔處峰值應(yīng)力極高時(shí)，應(yīng)力循環(huán)，十幾次，幾十次或幾百次就會(huì)發(fā)生疲勞失效。還有一種疲勞失效叫低應(yīng)力高循環(huán)疲勞，此時(shí)應(yīng)力極度低，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，循環(huán)次數(shù)達(dá)到一百萬(wàn)次或以上是時(shí)，也會(huì)發(fā)生疲勞失效。而對(duì)于振動(dòng)，一百萬(wàn)次循環(huán)是不需太長(zhǎng)時(shí)間的。

所以，本設(shè)備即使沒(méi)有發(fā)生高應(yīng)力低周期疲勞失效，由于存在振動(dòng)，也還有可能發(fā)生低應(yīng)力高周期疲勞失效。

這就是為什么2011版GB150的《標(biāo)準(zhǔn)釋義》要求我們“出于安全考慮，建議開(kāi)孔盡可能位于封頭80%Di范圍內(nèi)“及這種開(kāi)孔“需在實(shí)際工程中盡量避免”。

 

開(kāi)孔不合理時(shí)，失效的后果是什么？

壓力容器設(shè)計(jì)者首先要知道你所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)一旦失效，其后果是怎樣的，因?yàn)橹挥羞@樣你才能知道事情的輕重緩急，才能合理取舍。標(biāo)準(zhǔn)只告訴我們應(yīng)該怎么做，但不告訴我們?yōu)槭裁催@樣做。開(kāi)孔失效的后果只能在壓力容器教科書(shū)中找到。在最具權(quán)威性的壓力容器教科書(shū) ——天津大學(xué)余國(guó)崇編的《化工容器及設(shè)備》（此書(shū)幾十年來(lái)被大量的專(zhuān)著所引用，被大量的雜志上的專(zhuān)業(yè)論文所引用）告訴我們，接管補(bǔ)強(qiáng)不合理的失效形式是：疲勞和脆性斷裂。

脆性斷裂是一種災(zāi)難性的事故，它不同于設(shè)備的塑性失效斷裂，會(huì)有很多預(yù)警設(shè)施提示，還會(huì)有安全泄放裝置泄壓，；而脆性斷裂是在在介質(zhì)壓力還在設(shè)計(jì)壓力之內(nèi)，安全閥還未起跳的情況下，設(shè)備沒(méi)有任何幾何尺寸膨脹以供操作者發(fā)現(xiàn)的情況下，壓力表等儀表指示的數(shù)據(jù)沒(méi)有任何異常的情況下，爆炸突然發(fā)生。

疲勞，存在兩種情況。一種情況是首先出現(xiàn)疲勞裂紋，被人們發(fā)現(xiàn)后停車(chē)，這就避免了裂紋進(jìn)一步發(fā)展至斷裂。但設(shè)備只能改做他用，因如按原參數(shù)運(yùn)行，疲勞裂紋會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展，直至發(fā)生脆性斷裂。另一種情況是，疲勞裂紋一旦發(fā)生還未來(lái)得及被人們發(fā)現(xiàn)，裂紋已經(jīng)失穩(wěn)，脆性斷裂也就是爆炸已經(jīng)發(fā)生。

一臺(tái)設(shè)備的疲勞失效，是按第一種情況，還是按第二種情況，決定于該設(shè)備的斷裂韌度。斷裂韌度小，裂紋剛一發(fā)生，還未被人們發(fā)現(xiàn)，就會(huì)發(fā)生脆性斷裂，造成嚴(yán)重后果。而如果斷裂韌度大，裂紋發(fā)展到一定長(zhǎng)度，張開(kāi)一定寬度后才會(huì)發(fā)生脆性斷裂，這就有可能使在脆性斷裂發(fā)生前，裂紋被我們發(fā)現(xiàn)，因而就給了我們一定的時(shí)間采取關(guān)車(chē)等措施，可以避免災(zāi)難性事故發(fā)生。