浅谈压力容器设计中开孔补强设计的应用

赵金龙

摘要：设备开孔是压力容器设计及制造过程中一个重要环节，它有助于扩展压力容器的功能性，同时也为开孔设备的维护工作提供便利。然而不正確的开孔设计，很容易导致设备整体结构受力情况发生转变，使设备在运行中存在较大的安全隐患，所以改善开孔补强设计水平，消除安全隐患非常必要。

关键词：压力容器;开孔补强设计;应用

一、开孔补强设计

压力容器在开孔作业后，其自身受压的平衡性、受压面积以及开孔边缘的应力效应都会存在一定程度上的破坏，进而导致压力容器强度降低，无法达到使用要求。所以在压力容器设计中，需要通过合理的开孔补强措施来保证压力的平衡性。我国对于压力容器开孔作业制定了一系列的规范要求，并对锥壳、圆筒以及凸形封头的开孔直径做出明确规定，以增强容器强度。

二、开孔补强的限制条件和设计方法

1、限制条件

在压力容器开孔作业中，对于开孔直径、形状均有着明确的限制：

1）在圆筒开孔作业时，如果圆筒的内径在1500mm以下，那么其开孔直径不得大于0.5D与520mm中的较小值;如果圆筒的内径尺寸大于1500mm，则开孔直径不得大于0.33D与1000mm中的较小值。

2）球状外壳的开孔直径不得超过0.5D。

3）锥形封头的开孔直径要在0.33D以内。

4）椭圆形、长圆形以及圆形结构在进行开孔作业时，其长短轴的比例需控制在2.0以内。

2、设计方法

开孔补强的设计方法主要分为两种，局部补强和整体补强。

1）局部补强

局部补强具有一定的针对性，是在固定位置上实施开孔作业，且补强的面积相对较小。该种设计方式主要针对的是钢材屈服强度不超过540MPa、补强厚度在壳厚度的1.5倍以下、容器壳厚度在38mm以内的材料。其优势为成本低廉，操作便捷，补强时间短，适用范围较广。不过在使用局部补强时，需要注意的内容有：开孔补强位置在焊缝最大应力区域内，补强作业前需要对焊缝进行磨平处理和无损检测;在开孔作业时很容易存在误差，导致补强件与结构表面的融合效率较差，很容易因为温差变化导致位置出现裂缝，影响容器质量。

2）整体补强

整体补强通常被应用在开孔较大的容器中，补强面积相对较大，但操作却较为简单。另外，在采用整体补强时，对其技术要求相对较高，尤其是对过渡区域实行整体补强时，一定要注重其平稳性，避免应力集中在一侧。整体补强设计主要适用于压力高于4MPa、温度350℃以上，且承载高危害性物品、疲劳载荷较大的压力容器上。其优势在于：补强件位于开孔应力较大的位置上，能够提升容器的抗疲劳性能;其次，使用对接焊缝，提高了焊接质量。不过在使用整体补强时，需要的补强件尺寸相对较大，这在一定程度上增加了制造和检验难度，造成了较大的成本损耗。

三、压力容器设计中开孔补强设计的应用

1、补强圈设计的应用

补强圈补强方式的应用主要是为了强化局部补强作业的效果。在实际应用中，要先将补强板焊接在容器壁上，充分利用容器壁的金属厚度实现强度的提升。而在补强圈焊接时，应在外部实施作业，这样既可以降低施工难度，也可以增强压力容器的抗压能力和耐久性。在应用补强圈设计时，需要注意的内容主要有：

首先，严格控制补强板厚度。在补强板选择及其厚度确定上，设计人员需要严格按照容器规格、开孔要求以及补强特点予以确定。通常情况，补强板厚度应控制在容器开孔厚度的1.5倍左右，如果超出这一范围，很容易在焊接施工中产生不必要的间接应力，破坏连接效果。在补强板材料的选择上，一方面要对其延展性和可塑性予以充分考虑，另一方面还需对其强度实行把控，保证其低于400MPa。其次，结合补强圈的使用范围合理选择补强圈技术。补强圈不适合应用在高氧化性和腐蚀性的压力容器中;不适用于温差较大的压力容器中;不适用于承受较大荷载的压力容器中。所以在设计时，应结合压力容器所处环境，合理选择补强方式。在应用补强圈的过程中，应合理把控焊接开孔峰值应力，确保其在统一标准范围内。在对低合金高强度钢容器进行开孔补强操作时，主要以局部补强方式为主，当局部补强达不到既定要求后，才可更换成整体补强完成作业。

2、厚壁接管补强技术的应用

该技术在使用过程中对于厚壁接管材料的要求相对较高，且影响因素众多，如压力容器运行环境、壳体材料性能等，很容易导致厚壁接管材料出现质量问题。所以在实际设计中，必须要对压力容器的运行环境以及壳体材料性能进行准确掌握，并结合其具体要求选择合适的补强材料。另外，在开孔补强环节，如果壳体材料应力高于补强材料，则可以通过增加补强面积的方式来强化应力效果;如果壳体材料应力小于补强材料，则需要缩小补强面积，加强应力的平衡性。在实际操作中发现，当将开孔处理应用于容器中时，边缘的局部应力会出现持续上升的现象，此时，就因根据局部应力分布特点，在远离开孔边缘的位置实施补强操作。

为了充分发挥补强材料的性能，提高补强质量，可以将焊接位置设置在开孔高应力范围内。而补强应力的计算只需要将补强面积剔除即可。在使用厚壁接管补强技术时，补强板材质高于壳体接管材料材质，会在一定程度上增大焊接作业的难度，导致压力容器性能受损，进而影响压力容器使用过程中功效的发挥。在选择接管材料时，应以壳体本身材料性质作为参照标准，如果发现壳体材料强度在接管材料之上，则可以通过增加接管厚度的方式来实现流通面积的有效控制，提升焊接作业的效率，进而保证压力容器的安全使用。另外，锻件加工和无缝接管可以应用于厚壁接管补强中，从而减少误差的发生，此时如果设计压力较小，且补强过程中对壁厚的要求较低，则可以增加对无缝钢管的应用。

3、整体锻件补强设计的应用

整体锻件补强技术是压力容器设计中较为重要的技术类型。在压力容器开孔操作中，很容易导致压力容器强度下降，平衡性失衡，这时平衡壳体的应力会使得边缘整体锻件出现滑移现象，降低压力容器的运行安全性。但是采用整体锻件补强技术后，能够有效避免上述现象的发生，保证压力容器的强度和应力的平衡性。值得注意的是，在应用该技术过程中，必须先磨合壳体和锻件，磨合过程相对复杂，要想提升磨合效果并减少局部应力，在应用锻件补强的过程中，焊接难度就会有所增加。因此，整体锻件补强技术的设计方式一般被应用在特殊压力容器运行环境中。

从接管、封头焊接位置以及接管壁厚的角度进行分析，其最低的补强应力均存在整体锻件中，尤其是靠近封头位置上，存在着较为严重的集中应力情况。如果只是沿着封头壁厚的方向开展补强作业，是无法有效强化补强效果，增大压力容器强度的。由此可以分析出，在采用厚壁接管法的过程中，较低强度的产生位置主要集中在接管顶端位置上，该位置存在着较大的应力值，所以在补强作业时，可以采用内伸管的方式增强应力平衡性。内伸管的结构形式将有利于接管顶部应力的减小，在有效补强范围内，内伸管与接头处的应力强度成正相关，内伸管长度变长，接头处的应力强度会变小。与补强圈补强技术相比，内伸管补强技术在应用过程中更容易产生较大的应力值变化，从而强化补强效果。

结束语

综上所述，本文主要针对压力容器设计中开孔补强设计的应用问题进行了简单论述，通过上文论述可以看出，开孔补强设计的应用是影响压力容器设计成效的主要原因，所以在实际应用中，需根据具体的补强要求以及压力容器的使用环境，采取合理的补强方法，以此减少开孔设计对压力容器造成的不利影响，确保压力容器的正常运作。

参考文献

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[2]王洪革.开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J].内燃机与配件.2017（05）.

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