压力容器开孔补强设计的应用探讨

钟敏

（镇海石化工程股份有限公司，浙江　宁波 315042）

压力容器开孔补强设计的应用探讨

钟敏

（镇海石化工程股份有限公司，浙江宁波 315042）

如何提升压力容器的性能，实现压力容器的科学设计，就成为现阶段石油化工行业必须要考虑的现实问题。本文旨在从开孔补强角度出发，在相关科学理论的之下，探究压力容器开孔补强设计的应用，以期在提高压力容器抗压性能的同时，促进石油化工行业的健康快速发展。

压力容器 ； 开孔补强 ； 设计理论 ；应用策略

出于压力容器的使用需求，在压力容器设计的过程中，往往会在不同的位置进行开孔。开孔不仅可以实现压力容器的各种功能，便于功能调试与操作，还为容器自身的维护与保养提供了便捷条件。但是这些开孔会改变容器整体结构并且因为开孔接管处几何不连续，容器强度受到削弱，接管与主壳相贯处应力集中，内压下产生较大的局部应力，再加上接管上会有各种附加载荷产生的应力、温差应力及容器材质和制造缺陷等因素的综合作用，往往成为容器破坏的原发部位。这就不可避免的导致了压力容器整体抗压能力的降低，不仅影响自身的实际使用效果，还大大增加了维护与保养成本。为了提升压力容器的整体性，就需要我们对开孔接管处进行开孔补强，因此开孔补强对压力容器设计来说就有着十分重大的现实意义。

1 压力容器开孔补强优化设计应用应遵循的原则

（1）压力容器开孔补强优化设计的应用必须要遵循科学性的原则。压力容器开孔补强优化设计的应用在石油化工生产实践中的实现，要充分体现科学性的原则，只有从科学的角度进行石油化工生产的目标，反应的原理、反应流程的制定以及生产硬件与软件构成式等多个方面进行细致而全面的考量［3］。只有这样才能够最大限度的保证压力容器开孔补强优化设计的应用能够满足石油化工生产实践的要求，只有在科学精神、科学手段、科学理念的指导下，我们才能够以现有的技术条件为基础，进行压力容器开孔补强优化设计应用的科学探索与研究。

（2）压力容器开孔补强优化设计的应用必须要

遵循实用性的原则。石油化工生产项目作为人类改造自然环境的重要社会行为，对自然环境做出了巨大的改变，经历从无到有，从小到大的过程。而这一过程的实现就需要雄厚资金的支持，从实际来看，资金的稳定供应与否能够直接影响到压力容器开孔补强优化设计的应用的质量与水平，因而压力容器开孔补强优化设计的应用必须要遵循实用性的原则，最大限度降低石油化工生产的成本投入，降低压力容器开孔补强优化设计的应用方面的资金投入，从而能够将更多的资金利用与其他方面，保证我国石油化工产业结构优化与升级的顺利进行。

2 压力容器开孔补强准则及设计方法

压力容器开孔边缘存在三种应力，因性质不同，补强准则也不同。①开孔边缘局部薄膜应力补强准则是保障开孔局部截面的静力强度或防止失稳。②孔边因变形协调产生的弯曲应力，由于属于二次应力，对种应力的控制和补强准则应从安定性加以考虑。③孔边的峰值应力，器破坏与疲劳相关联，对于这种应力的控制也即补强应从疲劳强度进行考虑。

压力容器开孔补强从设计方法区分大致以下几种：①等面积法；②圆筒径向开孔补强分析法（以下简称“分析法”）；③压力面积法；④其他方法，如试验应力分析法等。

在压力容器常规设计中，上述的等面积法和分析法是经过我国锅炉压力容器标准化技术委员会认可的设计方法。压力面积法是原西德AD规范中的开孔补强方法，在我国尚不能作为合法的设计依据，当壳体开孔超出GB150—2011规定时，该法只能参考使用。应力分析法则常用于压力容器分析设计中。

等面积法适用于压力作用下的壳体和平封头上的圆形、椭圆形或长圆形开孔。具体的适用范围详见GB150.3—2011中6.1.2条。

分析法是清华大学薛明德教授历时20多年的研究而提出的薄壳理论解，用于内压作用下具有径向接管圆筒的开孔补强设计，其使用范围如下：

d≤0.9D且最大［0.5，d/D］ ≤δet/δe≤2

其中：

d——接管中面直径；

D——圆筒中面直径；

δet——接管有效厚度；

δe——壳体开孔处的有效厚度。

压力面积法使用范围较等面积法大，其开孔直径与壳体外径之比≤0.8。

等面积法是基于静力平衡，即以开孔有效补强范围内的金属面积（包括壳体、接管、补强材料等）的承载能力与内压力载荷相平衡为准则的计算方法。它有一定的局限性，等面积法粗略地认为在补强范围内补强金属的均匀分布降低了孔边缘的应力集中作用；忽略了开孔处应力集中于开孔系数的影响，例如相同大小的圆孔，当壳体直径很大时造成的强度削弱就小，反之壳体直径很小时，开孔率很大，削弱也大，因此等面积法有时富裕，有时显的不足。所以等面积法限定了较小的开孔率等特定条件。等面积法不适用与疲劳强度要求的开孔补强计算。

分析法的模型假定接管和壳体是连续的整体结构，因此在使用分析法时，应保证焊接接头的整体焊透性和质量。分析法的设计准则是基于塑性极限与安定分析得出的，通过保证一次加载时有足够的塑性承载能力和反复加载的安定要去来保证开孔安全。使用分析法时，须保证不超过GB150—2011中规定的范围，且不得查过曲线查询范围。分析法也不适用与疲劳强度要求的开孔补强计算。

压力面积法也是基于静力平衡为准则的计算方法。它对于具有大开孔的薄壁壳体只能满足静载荷设计要求，不能满足安定性要求。所以按AD规范B篇设计的容器应当满足安定性要求：即在设计寿命内，允许安全幅度的压力循环不超过1 000次。

在不满足安定性要求的容器下，压力面积法无法给出开孔率与壁厚的比值定量数值，这是因为压力面积法无法给出开孔边缘的局部应力。当开孔率较小时，其设计偏保守。

3 压力容器开孔补强的结构型式

壳体的开孔补强可采用补强圈补强和整体补强两种结构型式。

在进行开孔补强优化设计的过程中，局部强化是一种较为常见的开孔补强方式，在大多数情况下回采用补强圈补强的方式来进行操作。补强圈补强是利用焊接技术，在压力容器的壁上焊接补强板材，借助于补强板材来有效提升开孔周围的抗压能力，作为一种直接有效地开孔补强方式，补强圈补强能够有效地节约人力与物力投入。我们在进行操作的过程中必须注意以下几点。

（1）对于补强板材的厚度要进行考量。在进行开孔补强设计的过程中，要从容器自身的特性出发，将容器的体系大小、开孔的数量以及补强的实际要求进行综合判断与分析，在此基础上科学合理的选择补强板材的厚度。一般来说补强板材的厚度应该小于等于是壳体厚度的1.5倍左右。这有这样的板材厚度才能够保证补强效果，提升压力容器的整体抗压性能。

（2）提升补强圈的环境适应能力与性能的稳定性。由于压力容器特殊的工作环境，使得补强圈的适用范围较小，一般来说当压力容器处于极强腐蚀性以及氧化环境下时，就不能采用补强圈进行开孔补强设计。近些年来由于补强板材材质上的不断优化，使得补强圈的环境适应性有所提升，但是这种提升并不是无极限，我们仍然要根据压力容器的实际工作环境，对补强圈进行取舍，以保证压力容器正常工作。保证工业生产的顺利进行。

整体补强是指采取增加壳体厚度，或用全焊透的结构型式将厚壁管或整体补强锻件与壳体相焊的补强型式。

［1］ 付双武.在压力容器中的开孔补强结构设计［J］.科技与企业，2014（3）.

［2］ 李世玉.压力容器设计工程师培训教程 . 新华出版社.

［3］黄燕丽. 大开孔结构压力容器有限元分析及强度设计［D］. 沈阳工业大学， 2014（13）.

［4］ GB150—2011.压力容器.

［5］ 寿比南等. GB150—2011压力容器标准释义.

（P-01）

Application ofpressure vessel opening reinforcement design

TH49

1009-797X（2016）10-0018-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.005

钟敏（1980-），男，江西宜春，工程师，本科，从事工作为压力容器及加热炉设计。