压力容器设计中开孔补强设计的应用研究

杨坤

山东兴泰机械装备工程有限责任公司 山东临沂 276017

1 开孔补强设计概述

1.1 开孔补强结构

在将开孔操作应用于压力容器后，容器的抗压强度在开孔周围中不可避免的会有所降低，而在对其提升的过程中，就形成开孔补强结构。在不同的施工环境中，压力容器的制作通常可以对多种材质材料进行应用，此时必须将多种小孔预留在外壁上，在这一过程中，会导致整体抗压强度在压力容器中有所降低，而此时各种问题也将在使用压力容器的过程中产生，其使用的时间也将被缩短。

1.2 开孔补强设计计算

在设计开孔补强的过程中，设计质量会受到应力、补强方法等的影响，与此同时，另一个重要的影响因素就是开孔补强设计计算。A1+A2+A3≥A是主要的设计方法。其中，壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积用A1来表示；而接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积用A2来表示；在焊接补强区的过程中，会因为焊接而产生焊缝截面积，这一面积就用A3来表示；而开孔过程中，压力容器在开孔处削弱所需的补强面积用A来表示。因此，从上述公式中可以发现，补强是压力容器设计中的关键环节之一，同时在对补强设计确定的过程中，也应从多个角度出发展开分析和计算[1]。

2 压力容器设计中开孔补强设计的应用

2.1 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

40 0MPa。

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]。

2.2 厚壁接管补强技术在压力容器设计中的应用

厚壁接管补强技术对压力容器开孔补强设计有着十分重要的影响，而厚壁接管补强技术的应用需要严格选择厚壁接管材料，充分考虑压力容器运行环境、壳体材料性质等对厚壁接管材料的影响，按照相关标准规定来选择材料。在设计厚壁补强时，主要采用锻件加工或者具有要求厚壁不大、造成较小压力的无缝钢管，通过选取这样的材料能够确保整个工程建设顺利实施，减少施工误差的出现。

同时，为了能够缓解壳体材料的应力比补强材料应力高情况下的应力不足现象，可以适当的增加补强面积。相反，如果壳体材料的应力比补强材料应力低，则是需要提升应力的协调性，由此来缩小补强面积。另外，为了能够在压力容器设计中更好的发挥出补强材料的功能作用，要将较高应力区域作为焊接补强材料的关键位置。

2.3 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優化，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，导致施工难度增加，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[3]。

3 结语

综上所述，现阶段，我国制定了一系列标准，对压力容器设计进行了规范，因此相关领域工作人员更应当加大对开孔补强设计的重视，促使开孔过程中对容器壁强度的影响降到最低，促使壳体上在开孔区域集中的局部应力问题得到缓解。由此可见，在对压力容器进行使用的过程中，要想降低安全隐患，就必须对补强方式进行合理的选取与应用。