压力容器设计中开孔补强设计的应用分析

朱国庆

（扬州秋源压力容器制造有限公司，扬州 225115）

压力容器设计中开孔补强设计的应用分析

朱国庆

（扬州秋源压力容器制造有限公司，扬州 225115）

本文概括叙述压力容器设计中开孔补强设计，比较说明了整体补强和局部补强两种常见的补强方法，结合实际工作经验，提出压力容器设计过程中开孔补强设计应注意的问题。并从补强圈补强设计、厚壁接管补强设计、整体锻件补强设计三个方面详细地介绍不同的开孔补强方法在压力容器设计过程中的应用，为压力容器设计过程中的开孔补强设计提供借鉴和帮助。

压力容器 开孔补强 设计 应用

引言

随着社会经济的快速发展，压力容器由于具有储量大，运输简单等明显优势，在各领域的应用越来越广泛。通常，压力容器的开孔设计可满足补强的需要，同时也为后期压力容器设备检修、维护等提供便捷的条件。在压力容器的实际的运用过程中，大多数的压力容器的外接管环节需通过开孔满足实际需要。

但压力容器由于其性质特殊，一旦发生安全事故，造成的社会危害极大，因此压力容器设计过程中对开孔补强的设计便显得尤为重要。科学合理的补强设计能保证压力容器的安全性能，减少容器的破坏，保证容器使用的顺利。

1 压力容器设计中开孔补强设计

1.1 开孔补强概述

压力容器在开孔处理后，破坏容器原有的压力平衡状态，造成压力的受力面积减小，开孔边缘的应力增大，导致强度在原有容器的基础上大大削弱，因此，必要的开孔补强能保证容器整体的压力处于技术要求范围内。GB150-2011中对于圆筒、凸形封头和锥壳（或锥形封头）等不同类型压力容器的开孔直径做出明确的规定，从根本上讲，就是为了保证压力容器开孔的补强效果能满足容器的强度设计要求。因此，压力容器开孔后的补强设计是整个压力容器设计过程中的关键环节。

1.2 整体补强和局部补强

在具体的实践操作中，通过综合考量开孔的数量、位置和压力容器的一些其他要求，可使用不同的开孔补强方法，大体可以分为以下两种。

第一，整体补强。这种补强方法操作较简单，适用的补强位置广泛。适用于面积较大的开孔，而且一般容器的整体强度较欠缺。在一些局部操作受限制的特殊容器中也可考虑采用整体补强的方法。采用整体补强，可以大大节约补强耗材，提高整个补强工作的效率，具有明显的优势。

第二，局部补强。由于局部补强针对压力容器的某个特定的开孔进行，补强工作的操作面积小，这种补强方法具有较强的针对性。相较于整体补强，局部补强是通过有针对性补强操作补充压力容器壁上的开孔强度，可节约工作成本，缩短工作时间。这种补强方法的应用范围比整体补强更大。

2 不同的开孔补强方法在压力容器设计过程中的应用

开孔补强就是将开孔处的强度加以补充，提高开口处的强度等级，从而更好地强化被开孔压力容器的完整性和整体质量。实际生产和应用中，开孔补强的设计应用一般分为以下三种。

2.1 补强圈补强设计在压力容器设计过程中的应用

在容器开孔的周围通过贴焊一圈钢板进行补强的方法较为常见，用于贴焊的铁板就是补强圈，常见的补强圈补强设计一般采用两种模式，如图1所示。

图1 常见的补强圈补强设计采用的两种模式

目前，补强圈的生产和使用已标准化。在选择和使用补强圈时，应使用与容器壁相同的材料，具体的补强圈设计尺寸可参照相关的标准，也可依据等面积补强的原则计算。应注意的是，当补强圈的厚度大于等于8mm时，应将其全部焊透，才能使补强圈与容器壁一同受力，否则就失去了补强的意义。补强圈补强时，放置于压力容器的内外表面都可以，但通常为焊接方便，一般将补强圈放置在容器壁外侧进行单面补强。

由于补强圈具有结构简单，制造简便的特点，应用较为广泛。但同时，补强圈补强后，由于补强圈与壳体间有一层静止的气隙存在，导致传热效果差，二者间形成温差与热膨胀差，易产生温差应力。另外补强圈与压力容器壁焊接时，由于形成的结构不是整体受力，有可能造成局部压力过大，容器壁产生变形或破坏等，导致整体的抗疲劳性能下降。

2.2 整体锻件补强设计在压力容器设计过程中的应用

与补强圈的特定部位补强不同，整体锻件补强方法是通过最大限度地降低容器壳体的整体强度水平避免出现新的集中应力，补强效果相对更好一些。但整体锻件补强设计对于整体锻件和压力容器壁间的过渡性有着更高的要求，因此在实际生产、操作过程中对于过渡焊的工艺技术的要求更高，不可避免地提高了生产加工成本。所以，对于整体锻件补强设计通常是在压力容器使用环境相对恶劣或对于容器补强精度要求较为严格、苛刻的压力容器的设计中。

2.3 厚壁接管补强设计在压力容器设计过程中的应用

厚壁接管补偿应用中，正确选择厚壁接管材料是关键，一般会遵循压力容器的材料特征和使用条件进行选择，选择的材料强度等级应与母体基本一致，既不能过高也不能过低。因为强度等级过高就会影响焊接的质量，导致补强后的整体效果不佳。如果强度等级低于母体材料则有可能会对接管流通面积产生影响，间接的导致焊接效果不佳补强后的压力水平降低。给加工误差带来的不利影响，可通过使用无缝钢管或锻件加工最大限度地减少。当设计的容器压力较高水平时，一般采用整体锻件的加工方法，相反，设计容器的压力水平较低时，可采用无缝接管补强方法。

3 结语

开孔补强设计是压力容器设计中的关键组成部分。在设计过程中，合理应用开孔补强方法，最大限度地避免压力容器壁的应力集中，减少压力容器的疲劳破坏，能较好地提升压力容器整体的安全使用性能。如何减少开孔补强的不同设计方法的负面影响，进行更合理的优化和改良，还需要相关的行业主管部门和专家学者不断地探索和研究。

[1]马涛.压力容器设计中开孔补强设计的应用分析[J].工业：268.

[2]常小伟,杨萌.开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J].化工管理，2014，（23）：89.

Application Analysis of Opening Reinforcement Design in the Design of Pressure Vessels

ZHU Guoqing
(Yangzhou autumn source pressure vessel manufacturing Co., Ltd., Yangzhou 225115)

This paper describes the reinforcement design of openings in the pressure vessel design, shows that the overall reinforcement and reinforcement of two kinds of common reinforcement method, combined with the actual work experience, put forward the reinforcement design problems should be paid attention to in the process of the design of pressure vessel opening. And from the reinforcing design of thick walled tube, reinforcement design, detailed introduces the application of different opening reinforcement method in pressure vessel design in the process of the whole forging up three aspects of design, to provide reference and help for the design of pressure vessel opening reinforcement design process.

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