封头安装中开孔

我国在椭圆封头上开孔问题的历史沿革

1989年以前，我国尚无压力容器标准 ，整个70年代直至80年代末，是以《设计规定》的形式出现的，它也具有强制性的法律意义。《设计规定》严格禁止在椭圆封头的80%Di以外开孔。

1989年我国建立了压力容器的强制性国家标准GB150，它同样严格禁止在封头的80%Di以外开孔。

1998年执行第二版GB150，此版有了一点变化：允许在封头的80%Di以外开孔了，但要求开孔的中心线沿封头表面的法线，以保证开孔为圆形，而不是长圆形，以使应力集中的峰值不会太高。（说明：实际上椭圆是一条变曲率的曲线，不存在法线，尤其在封头80%Di处，曲率急剧变化，连近似的法线都画不出来。所以这一条实际无法执行。）

那个年代，一提到在椭圆封头的80%Di以外的位置开孔，真是谈虎色变，唯恐避之不及。劳动局也特变关注这个问题，一旦有在这个禁忌位置开孔的，立即判废，毫不留情。

2011年执行第三版GB150，此版对椭圆封头上的开孔未提任何要求。
 

2011版GB150的《标准释义》对于这个问题的观点，与该版GB150的正文大相径庭。

2011版GB150的《标准释义》（第142页）明确指出：“出于安全考虑，建议开孔尽可能位于80Di%范围内。这是因为对于80%Di范围以外的封头转角部分曲率变化大，应力水平高，封头与接管间的相贯导致受力情况与等面积法基本假设偏差较大，因此需在实际工程中尽量避免。”

等面积法是按在平板上开孔做为力学模型推导出来的（由于焊上接管后，受力更复杂，所以等面积法还包含一定的经验成分，不过这不是本文所要讨论的，这里不再赘述）。而椭圆封头80%Di以外的转角部分，沿经向的近似曲率半径很小，而周向的曲率半径又非常大，所以此处不仅不是平面，而且不是经向和周向曲率半径相等的球面，也不是经向曲率半径无限大，而只存在周向曲率半径的圆柱面。这使得此处的开孔远远偏离等面积法的力学模型，因此用GB150的开孔补强计算方法算出的补强结果与实际受力情况相差甚远，极不安全。

2011版GB150的正文与它的《标准释义》为什么互相矛盾？

2011版GB150正文的主要编纂者就是2011版GB150《标准释义》的编纂者；对《标准释义》与标准正文的这个矛盾，我们应当从正面去理解，即这个矛盾必有其存在的合理理由。

现实的问题是很复杂的，往往是不能仅靠画一条线就能妥善解决的，工程技术问题既要符合安全性，又要考虑经济性，比如现在我们所讨论的这个问题。对于这台水解反应器，如果安装在椭圆封头80%Di以外的不是加热器，而仅仅是一个人孔，那么除了如上所诉述的由于开孔位置所造成的受力严重不合理外，不会再附加其可以接受的

他的不利因素了。这时情况还不是太恶劣，其安全度在某种程度上还是可以接受的。（说明：这仅仅是相对而言，也可能如果此处开孔的仅仅是一个DN50的小管，其安全性才能达到可接受的程度。这个度如何把握，本人现在也无从下手，估计既要考虑开孔的大小，接管的附加载荷，又要考虑介质的危害程度。）。如果非要加大反应器直径，以使此人孔进入封头80%Di，当设备非常大时，会造成不必要的浪费；反之，虽不加大设备直径，却非要将人孔移至封头的80%Di以内，又可能给使用带来不便；这时，人孔安装在封头80%Di之外，则是合理选择，即经济又适用，其安全度又可接受。尤其随着我国经济的发展，设备大型化的趋势越演越烈，从经济上考虑，这种选择是很有价值的。这就是2011版GB150没有提出 限制在封头80%Di以外开孔的道理所在。

 

除了由于在此处开孔造成的危险因素外，至少还要附加两条不利因素：

（1）虽然设置了管束支撑，但由于设计和制造安装都不可避免地存在误差，所以必然会对此开孔附加一个很大的弯矩，使开孔处的应力集中峰值进一步增加。一般开孔处此应力峰值达到设备基本应力的三倍（按变形量用弹性模量计算出的虚拟应力，以下同。），有时甚至达到六倍以上。而在此封头80%Di以外开大孔，又加上上述的附加弯矩，此处的峰值应力会更大，这就会使疲劳断裂很快发生。

因为疲劳曲线的特点是：应力越高，不产生疲劳失效所允许的循环次数越少。当应力高到一定程度，可能应力循环十几次，几十次就会发生疲劳失效，一个寿命十几年的设备正常开停车的次数就会远远高于十几次，几十次，所以，此种状况，发生疲劳失效的可能性还是较大的。

（2）作为一个U形管换热器，振动也是不可避免的，震动会产生低应力高循环疲劳失效。疲劳失效有两种，一种是高应力低循环疲劳，即上面所说的，开孔处峰值应力极高时，应力循环，十几次，几十次或几百次就会发生疲劳失效。还有一种疲劳失效叫低应力高循环疲劳，此时应力极度低，甚至远远小于许用应力，循环次数达到一百万次或以上是时，也会发生疲劳失效。而对于振动，一百万次循环是不需太长时间的。

所以，本设备即使没有发生高应力低周期疲劳失效，由于存在振动，也还有可能发生低应力高周期疲劳失效。

这就是为什么2011版GB150的《标准释义》要求我们“出于安全考虑，建议开孔尽可能位于封头80%Di范围内“及这种开孔“需在实际工程中尽量避免”。

 

开孔不合理时，失效的后果是什么？

压力容器设计者首先要知道你所设计的结构一旦失效，其后果是怎样的，因为只有这样你才能知道事情的轻重缓急，才能合理取舍。标准只告诉我们应该怎么做，但不告诉我们为什么这样做。开孔失效的后果只能在压力容器教科书中找到。在最具权威性的压力容器教科书 ——天津大学余国崇编的《化工容器及设备》（此书几十年来被大量的专著所引用，被大量的杂志上的专业论文所引用）告诉我们，接管补强不合理的失效形式是：疲劳和脆性断裂。

脆性断裂是一种灾难性的事故，它不同于设备的塑性失效断裂，会有很多预警设施提示，还会有安全泄放装置泄压，；而脆性断裂是在在介质压力还在设计压力之内，安全阀还未起跳的情况下，设备没有任何几何尺寸膨胀以供操作者发现的情况下，压力表等仪表指示的数据没有任何异常的情况下，爆炸突然发生。

疲劳，存在两种情况。一种情况是首先出现疲劳裂纹，被人们发现后停车，这就避免了裂纹进一步发展至断裂。但设备只能改做他用，因如按原参数运行，疲劳裂纹会进一步扩展，直至发生脆性断裂。另一种情况是，疲劳裂纹一旦发生还未来得及被人们发现，裂纹已经失稳，脆性断裂也就是爆炸已经发生。

一台设备的疲劳失效，是按第一种情况，还是按第二种情况，决定于该设备的断裂韧度。断裂韧度小，裂纹刚一发生，还未被人们发现，就会发生脆性断裂，造成严重后果。而如果断裂韧度大，裂纹发展到一定长度，张开一定宽度后才会发生脆性断裂，这就有可能使在脆性断裂发生前，裂纹被我们发现，因而就给了我们一定的时间采取关车等措施，可以避免灾难性事故发生。