浅谈开孔补强技术在压力容器设计中的应用

何禹

（大庆油田工程有限公司，黑龙江 大庆 163712）

在对压力容器进行设计和制造的过程中，开孔操作这个环节极为重要，其可以很好地提高压力容器的整体性能。但在完成压力容器开孔操作之后，会或多或少的改变设备的整体结构，如内部对于压力的承受能力以及对于局部应力的承受能力等都会有一定程度的变化，这种情况会造成实际运行期间安全隐患的出现。在对压力容器进行设计的过程中，开孔补强技术的应用能够使上述提及的安全隐患得到有效的消除。

1 压力容器设计期间补强圈的应用

补强方式之中的局部补强是一种已经得到广泛应用的设计方法，通过对补强圈补强方式进行利用，能够使这个目标得到有效的实现。补强圈补强是指在压力容器壁上焊接补强板，需要利用容器壁金属的厚度更好地提升金属开孔周边容器壁强度。补强板的焊接操作一般都是在容器外壁进行的，这样操作能更好地提高施工期间的便捷性。补强圈技术应用到压力容器设计时，特别需要对以下几方面内容给予重视。

（1）对补强板的厚度进行严格的控制。按照容器规格，设计人员需要有针对性的做出一些有效的补强，然后还要按照容器开孔的相关需求和补强的具体特点计算确定补强板的厚度。大多时候，选择的前提是容器开孔处钢板的厚度，GB150-2011中对补强板厚度的要求是不超过开孔处钢板厚度的1.5倍。施工过程中如果选用的补强板比较厚，会明显增加焊接的角度，还很有可能产生一些间接的应力。正确选择补强板的材质非常重要，要求在使用过程中保证所选材质具有延展性和可塑性。

（2）保证补强圈技术的应用和补强圈的适用范围相匹配。化工企业中常用的化工容器应用环境一般具有较强的腐蚀性和氧化性，而且在使用过程中温差的变化较大，因此不适合采用补强圈方式补强。如果压力容器受到较大荷载时，也不适合采用补强圈进行补强。控制补强圈金属间的焊接峰值应力范围极为重要，只有保证其被控制在一个合理的范围内，才能够对补强效果进行提升，在开孔补强操作进行应用之后，充分利用补强圈进行局部补强可以提高设备的质量。当超出补强圈补强的范围时，应考虑采用整体补强。

2 压力容器设计中厚壁接管补强法的应用

对压力容器进行设计的过程中，我们不能忽视开孔补强方法中的厚壁接管补强法，但在实际应用期间，对厚壁接管材料选择有着较高的要求，并且对厚壁接管材料选择造成影响的因素相对也比较多，比如压力容器的运行环境、壳体材料都有着极为密切的联系。要想提高补强效果，就要采用相同的补强材料和压力容器壳体，如果补强材料的应力比壳体材料应力低时，解决应力不足的问题，就要适当增加补强的面积。当补强的材料比壳体材料应力高时，提高应力的协调性，就要缩小补强的面积。在实际操作过程中我们不难发现，开孔操作在容器之中的应用，会造成边缘局部应力出现持续上升的问题，结合局部应力在分布方面的特点，需要保证相邻开孔之间的间距满足GB150-2011中规定的要求。

要对补强操作之中补强材料的性能进行提高，就需要把应力比较高的位置当成是焊接补强过程中的关键，其所处的位置是在开孔的附近。针对补强面积进行计算时只需要将有效补强范围面积减掉便可以。对于厚壁接管补强技术进行应用的过程中，如果发现补强板比壳体接管材料材质高，便会严重影响压力容器所具有的使用性能，并且会与压力容器实际运行过程中功能的发挥受到严重的掣肘。出现这个现象的主要原因在于接管材料中产生了较高的强度，增加了焊接工艺的难度，并且最终影响到了整个压力容器所能够达到的补强效果。

对接管材料选择时会将壳体本身的材料设置成参照标准，这种情况之下如果接管材料强度低于壳体材料强度，要想对补强效果进行提升，就需要增加接管壁的厚度，并且使接管中的流通面积能够得到良好有效的控制，使焊接过程能够具备更大的便利，最终使压力容器补强的效果得以实现。

3 压力容器设计中对于整体锻件补强技术的应用

设计压力容器时，整体锻件补强技术能够发挥的作用比较大，压力容器设计时采用补强技术的主要目的在于，利用金属功能使开孔产生的强度得到降低，并且最终使壳体应力产生较为理想的平衡状态。这时，平衡壳体的应力会使整体锻件结构出现下滑的问题。针对这个现象，整体锻件补强技术所具有的重要意义也就展现了出来。需要我们特别注意的是，在应用这个技术期间首先需要做的是对壳体和锻件进行磨合，整个磨合的过程相对比较复杂，要想提高磨合的效果，就必须减少局部的应力，实际制造的过程中需要清晰的认识到锻件补强会使焊接的难度增加。基于这种情况，在一些特殊的压力容器运行环境中，便常常会对这个设计方法进行使用。

如果只选择接管、封头焊接位置以及接管的厚壁方向作为切入点，补强应力在整体锻件之中数值最小，封头上面的应力集中比较多，从这个位置顺着封头壁厚方向在应力强度的补强方式上不存在太大差异。我们很容易分析出应用厚壁接管法常常会有一些强度比较低的应力出现在接管顶端位置，其他位置所产生的应力大都比较大。在内伸管不断增长的过程中强度也会出现不断降低，如果内伸长度大于一定长度，就会使接头位置的应力有明显的降低，同时会在内伸管之中产生较大的位移。基于这种情况，我们也不难发现良，好的补强技术会在整体锻件内伸的位置产生出来。相比于补强圈补强而言，内伸管补强所具有的应力值变化更加明显，而且产生的补强效果也比较理想。

4 针对于开孔补强的具体设计

（1）等面积补强设计的方法。在对压力容器补强处理的过程中，一般都会对等面积补强设计法进行应用，其主要是在一个有效的补强区域之中保证补强材料的横截面积大于开孔损失面积，这样便可以维持容器壳体结构屈服强度的平衡性。我们可以将其理论模型当成是一个不受面积限制的平板开孔，并且不会有过多弯曲出现而使偏差增大的问题发生。

（2）分析设计的方法。分析设计方法所指的主要是在GB150.3-2011之中所提及的新型补强设计方式，这种计算方式可以被具体划分成两种。第一种主要是核算和校对等效应力的处理，随后对于开孔位置的等效薄膜应力强度S1和总应力S2进行计算，随后科学的对其进行评定和处理。第二种主要是对补强结构尺寸的设计，这种设计方法参照的主要是GB150.3-2011之中的设计规范，以此为基础提出了一个最小设计的尺寸。

分析设计法之中的模型属于将壳体和接管假设成一个整体性的结果，基于这种情况在对其进行应用期间就需要保证焊接头所具有的焊透性和质量。这种方法主要是以弹性分析和塑形极限作为基础提出的设计准则，从最大程度上保证所具有的塑性比较充分且反复加载力足够，进而从最大程度上为开孔操作过程中的安全性提供充分的保障。在对分析设计方法进行应用期间最好不要使用疲劳和外压设计，应用范围主要是针对圆柱的径向进行开孔补强，而且针对壳体壁厚和接管之间的比值也会有具体的要求，保证后者与前者之间的比值被控制在0.5～2.0内。

5 结语

开孔补强方法对压力容器进行实际设计的过程中所起到的作用十分关键，为了从最大程度上避免由于开孔处理使整个容器壳体强度受到的影响过大，以及所产生的局部应力集中过大的问题，就需要特别关注开孔补强的设计，使压力容器在实际应用的过程中能够规避安全隐患。通过应用多种类型的开孔补强设计方案，并且具体分析和研究合理的补强设计方法，使容器能够最大程度上规避不必要损害出现的可能性，并且最终使容器的使用性能、使用寿命以及整体质量得到全面有效的保障。本文所选择的切入点为整体锻件的补强、对于补强圈的设计以及对于厚壁接管的补强三个方面，并且对开孔补强具体设计进行了一定的阐述，更好地推动我国化工领域的良好稳定发展。