浅谈开孔补强设计在压力容器设计中的应用

刘昌林

摘要：开孔补强设计，是压力容器设计中的主要环节，是决定容器设计质量的主要指标。本文对开孔补强设计方案进行了简要的介绍，强调了开孔补强设计在压力容器设计中的重要性。基于此，本文主要对开孔补强设计方案的应用方法进行了探讨。以期能够为容器设计领域的相关人员提供参考，优化设计结果，仅供参考。

关键词：开孔补强设计;压力容器设计;应用

前言：

开孔有助于增强压力容器的性能，但却对容器本身的强度造成影响，致使容器的应力分布情况发生改变。为确保开孔施工能够有效进行，降低开孔对容器应力分布情况的影响是关键。开孔补强方案的实施，有助于达到该目的。根据补强面积的不同，可将开孔补强分为整体补强与局部补强两种。为提高压力容器设计的科学性，对两种补强方案进行合理应用较为重要。

1 开孔补强设计概述

1.1 整体补强

作为开孔补强方式的一种，整体补强的补强面积较大，要求在考虑压力容器整体强度参数的基础上，对容器进行设计。整体补强适用于开孔数量较多的压力容器的补强设计，具有操作简单、全面性强的优势。将该方案应用到压力容器的设计过程中，能够有效提高补强效率[1]。除此之外，该方案同样具有材料利用率高的优势，设计人员可视自身需求，考虑是否采用该方案补强。

1.2 局部补强

与整体补强相比，局部补强的面积较小，但针对性较强。该方案优势在于应用范围较广，对压力容器开孔数量的要求不高。当某压力容器设计完成后，设计人员可利用局部补强技术，单独针对容器上的某一小孔进行补强，操作面积较小，抗疲劳效果较好，且基本不会对容器开孔的边缘焊接情況造成影响，在压力容器的设计过程中，应用价值同样较高[2]。

2 开孔补强设计在压力容器设计中的应用方法

以压力容器的厚壁接管补强为例，压力容器设计过程中，可采用以下方法进行开孔补强：

2.1 材料的选择

压力容器后壁接管设计过程中可选择的材料类型较多，根据材料的不同，其强度等级以及补强面积同样不同。

2.2 尺寸的确定

本部分从接管尺寸以及过渡段尺寸两方面出发，对压力容器开孔补强过程中尺寸的选择方式进行了探讨：

2.2.1 接管尺寸的确定

压力容器接管内径的尺寸，应与工艺管线的内径尺寸相同。根据国家标准要求，压力容器设计过程中，法兰的内径，可根据设计需求而确定。设计时，设计人员可首先确定小管的内径，在此基础上，计算出小管的壁厚。

2.2.2 过渡段尺寸的确定

压力容器的过渡段，主要处于接管的大端与小端之间。过渡段的长度，是决定压力容器整体强度的主要因素。为改善补强结构，设计人员应将过渡段的尺寸，控制在接管大端与小端厚度差的1--3倍内，提高长度选择的合理性。过渡段与接管的大端及小端的连接，应保持圆滑，以免应力过于集中，对压力容器应力分布的均匀性造成影响。过渡段圆角尺寸R，可按照法兰颈部的圆角尺寸进行选择，提高选择结果的合理性。

2.3 参数的控制

压力容器设计过程中，补强面积、壳体厚度、外伸高度与焊接质量参数的控制方法如下：

2.3.1 补强面积的控制

压力容器开孔补强过程中，接管大端端部的圆角，是影响补强面积的主要指标。根据国家标准要求，压力容器补强过程中，如接管大端的厚度较大，且其圆角的尺寸同样较大，而补强面积的富裕量较少时，应考虑适当减小该部分面积，以免对补强效果造成影响。除此之外，设计人员还应将压力容器开孔的数量，应用到补强面积计算过程中。根据开孔数量的大小，适当增加或减少补强面积。

2.3.2 壳体厚度的控制

压力容器壳体的厚度，同样应视接管大端的厚度而确定。实践研究显示，如大端的厚度超过壳体厚度的1.5倍，焊接冷裂缝的产生几率将明显提高，判断导致该现象出现的原因，与接管刚度的提高有关。随着接管与壳体刚度差的增加，两者之间连接部位的变形协调性，将明显下降。此时，受外力作用影响，冷裂缝则较容易出现。为避免两者之间刚度过大，可将内插入式厚壁接管，应用到容器设计过程中，以减小接管大端的厚度，改善补强效果。

2.3.3 外伸高度与焊接质量的控制

压力容器接管的实际外伸高度，应按照接管的结构而确定，且与接管的厚度有关。外伸高度应保证大于有效高度，才可使压力容器的强度得以增强。从焊接质量的角度看，采用厚壁接管补强的压力容器，设计压力均较高。目前，我国针对压力容器厚壁接管设计压力指标，仍无明确的规定。但所有资料均显示，该指标必须>4.0MPa，方可达到补强的目的。焊接时，如采用较细的焊条打底，实现双面焊，则必须进入到壳体的内部进行清根。为提高设计效率，可将氩弧焊应用到焊接打底过程中，提高焊接质量。

3 补强圈补强设计在压力容器设计中的应用

压力容器有多种开孔补强方式，通常分为两类，一类是整体补强，另一类是局部补强。局部补强在压力容器中的应用频率较高，补强操作一般会选择应用补强圈的方法，补强圈的补强方式是在将补强圈焊接在压力容器上部，将存在孔洞的位置进行加厚处理，使其具有更大的承受应力的能力。只有开孔的位置合理，补强的厚度满足要求，才能实现妥善的补强操作。要实现合理的补强，必须对压力容器的制作过程以及工艺进行分析和研究，查看焊接工作的质量，来实现补强更加简单、方便，对操作有利，所以，在外部的焊接补强可以很好地提高压力容器的强度和耐久性，实现开孔位置抗疲劳性能的显著提高。

4整体锻件补强设计

开孔补强的意义在于使容器开孔位置的强度得到补充和提高。使材料开孔位置的质量和强度得到优化，保证被开孔的压力容器的质量以及整体性能。整体锻件补强方法和其他的补强方法相比，具有独特的优点和优势，比如：保证压力容器处于较低的应力状态，保证不会出现新的应力点，实现整体上极好的补强效果。但是，整体锻件补强对客观条件的要求也较高，相对苛刻，比如：必须保证壳体表面平滑过度，避免在容器过度位置出现较大的应力，在实际的生产制造过程中，整体补强具有极好的补强效果，同时，对过渡焊缝等位置具有较高的要求，导致施工難度增加，工程的前期资金投入量增加，对设计人员和施工人员的专业水平提出了更高的要求，如果操作中的任何一个条件不能得到满足，都会对压力容器的补强效果产生影响。

5 结束语

综上所述，将开孔补强应用到压力容器的设计过程中，能够达到提高容器设计方案的科学性、增强容器强度、改善容器性能的目的。设计人员应认识到开孔补强的重要性。设计时，应合理选择补强材料，在此基础上，准确计算出接管与过渡段的尺寸，并对补强面积、壳体厚度、外伸高度及焊接质量等，进行优化控制，最终达到提高压力容器设计水平的目的。

参考文献

[1]冯浩.压力容器设计中开孔补强设计的应用及实践[J].南方农机，2015，46（11）：73-74.

[2]周一飞.开孔补强设计在压力容器设计中的应用研究[J].广州化工，2015，43（14）：181-182.

[3]郑小海.开孔补强设计在压力容器设计中的应用[J].轻工标准与质量，2015（03）：64-66.

[4]刘英.开孔补强设计在压力容器设计中的应用[J].中国高新技术企业，2015（09）：30-31