压力容器设计中开孔补强设计的应用初探

吴英海

摘 要：开孔补强设计是压力容器设计中的重要环节，具有良好的应用价值，科学合理的开孔补强设计能够保证压力容器设计的安全性和经济性。本文简要探讨开孔补强设计在压力容器设计中的应用，仅供相关人员参考。

关键词：压力容器设计；开孔补强设计；应用

现代社会经济的发展进步，压力容器以其自身运输简单、储量大等优势，在社会各领域内均得到广泛应用。此种情况下，为保证压力容器设计质量，降低安全隐患，应当充分做好开孔补强设计工作，保证压力容器的安全性能，确保其在社会各领域内得到安全使用。

1 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中的应用

所谓开孔补强，是指通过对开孔处强度进行补充来提高其强度等级，保证被开孔压力容器的完整性和安全性。就当前压力容器设计的具体情况来看，开孔补强设计在压力容器设计中的应用主要体现在以下三个方面：

2.1 补强圈补强设计的应用

所谓补强圈补强设计，是指在压力容器设计过程中，找准容器开孔位置，与其周围贴焊钢板实现补强，此时所贴焊钢板即为补强圈。当前科学技术条件下，压力容器设计中补强圈补强设计的两种模式如图1所示。

在补强圈补强设计中，应当合理选用标准化的补强圈，确保其与压力容器壁的材料相同，结合压力容器开孔补强的相关标准，掌握好补强圈补强设计是的尺寸大小，若未明确具体补强标准尺寸，可以结合压力容器设计的实际情况，依照等面积补强的原则对补强圈设计尺寸进行准确计算，从而保证补强圈补强设计工作的有序开展。压力容器开孔补强设计中应用注意，若采用补强圈补强设计方式，一旦补强圈的实际厚度超出8mm，在进行开孔补强时应当确保全部焊透，保证补强圈与容器壁协调受力。与此同时，在应用补强圈进行补强时，应当将补偿圈紫玉压力容器的内外表面适当位置，确保所选位置便于焊接，从而保证补强圈补强质量。一般情况下应用补强圈补强设计方法时，大多将补强圈置于容器壁外侧，通过单面补强实现开孔补强，以确保开孔补强的价值得到最大程度的发挥，保证压力容器设计的科学性和合理性。

补强圈结构简单，制造难度较小且应用广泛，在压力容器开孔补强设计中受到广泛关注和高度重视，具有良好的应用价值。但补强圈补强后，补强圈与壳体之间存在一层静止气隙，给压力容器的整体传热效果造成严重影响，甚至会在补强圈与壳体之间形成温差和热膨胀差，最终导致温差应力出现而严重影响压力容器开孔补强设计的实际效果，并且会对压力容器的实际应用埋下安全隐患。补强圈与压力容器壁进行焊接时，一旦结构受力存在特殊性，不保证整体受力时，当压力容器局部压力过大时极易出现压力容器壁变形或破坏的情况，降低压力容器的整体抗疲劳性能，导致压力容器运行的安全系数降低。

2.2 整体锻件补强设计的应用

通过对比分析可知，整体锻件补强设计与补强圈补强设计存在一定差异，补强圈补强所实现的是特定部位补强，而整体锻件补强则是通过最大化降低容器壳体整体强度水平来减少集中应力的发生几率，因而整体锻件补强设计的实际补强效果在一定程度上优于补强圈补强效果。相关实践研究表明，在压力容器开孔补强设计过程中，整体锻件补强设计的要求较高，尤其是在整体锻件与压力容器壁之间的过渡性方面，一旦补强设计不科学或不适宜，会严重影响开孔补强设计效果，甚至影响压力容器的安全使用。因此在壓力容器开孔补强设计过程中，应当严格规范生产擦做过程，规范过渡焊工艺条件，保证整体锻件补强设计的安全性和可靠性，并合理控制生产加工成本，即便是在相对恶劣的条件下，也应当严格控制压力容器补强精度，保证压力容器开孔补强设计的可靠性，确保整体锻件补强设计在开孔补强设计中的应用价值得到最大程度的发挥。

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。

结束语

总而言之，开孔补强设计是压力容器设计中的一项重要内容，其设计效果直接关系着压力容器的使用性能。因此在开孔补强设计中，应当结合压力容器的具体情况，掌握正确的开孔补强方法并加以合理利用，避免应力集中问题出现而影响容器壁状态，通过对不同开孔补强设计方法的合理应用，保证压力容器开孔补强设计的安全性和可靠性，促进其使用性能的最大化发挥，为后期压力容器设备检修与维护也带来极大便利，为生产活动的有序开展提供可靠的支持。

参考文献

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