开孔补强设计在压力容器设计中的应用

开孔补强设计在压力容器设计中的应用

刘琼

宝塔国际石化工程技术有限公司宁夏银川市750002

摘要：在压力容器设计中，开孔补强设计有着良好的应用价值，是压力容器设计中必不可少的重要环节。国家压力容器设计制造的相关规章制度，对压力容器开孔补强设计的计算与规定进行了明确界定，然而，从安全性、经济性等多角度来看，开孔补强设计还有很大的改良空间。本文对开孔补强设计中，补强圈补强设计、后壁接管补强设计、整体锻件补强设计的应用情况进行总结，为提高开孔补强设计在压力容器设计中的应用价值，提出可行性建议。

关键词：开孔补强设计；压力容器设计

一、前言

压力容器的设计中，在压力容器的容器壁上开孔对于压力容器的设计制造过程是必不可少的。经常开孔是为了在压力容器上安装接管作为压力容器功能的需要，或在压力容器的容器壁上开孔为了方便压力容器的维修、维护，或是设备调试、安装的需要。然而，在压力容器的容器壁上开孔无疑会使压力容器的整体结构强度受到影响，降低了压力容器承受压力的能力，从而使压力容器的局部应力存在断层差异。而对已需要在容器壁开孔或接管的部位，局部应力差更高，对于压力容器的承力强度造成了很大影响。此外，由于压力容器长期在高温高压环境下工作，开孔和接管等的连接处在高温高压环境下的局部应力不连续的影响被无限放大，同时由于制造材料上的缺陷等综合因素的影响，压力容器极易在开孔处发生失效甚至破损，严重影响了压力容器的安全性能。因此按照国家压力容器设计制造规范《压力容器》（GB150-2011）中的规定，必须对压力容器的开孔做补强设计。

二、开孔补强设计的重要性

在进行压力容器设计时，开孔处理操作极为常见。在通过状况之下，开孔处理主要是为后期的接管安装提供便利，对容器的功能性需求予以满足。有时为了对整个压力容器进行全面维修、养护、调试，也需进行开孔处理。而开孔处理会对整个容器的内部结构及其使用性能产生一定的不利影响，通常会使得容器整体的抗压性遭到削弱。此种情况出现的主要原因为：在开孔处理后，压力容器内部存在的应力出现了断层差异。而在开孔处进行接管，也会使得容器内部出现受力不均的状况。另外大部分的压力容器应用于一些温度、压力均高的环境之下，应力、受力不均问题更为突出，再加上受到一些容器材料等多种因素的影响，整个容器性能将会受到极大的损害。在容器的应用工作中，其工作质量、效率也较差。所以，在对相关设计规范内容充分理解、遵守的前提之下，对容器进行开孔补强设计极为重要。

三、补强圈补强设计在压力容器中的应用

局部补强是设计压力容器开孔补强中的常见方式，许多压力容器补强设计中，均能看到补强圈补强设计的踪影。补强圈补强的方法，主要是利用焊接工艺，在压力容器的容器壁上焊接补强板，通过增加开孔周围容器壁的金属厚度，来增强金属开孔周边容器壁的强度。一般情况下，工程师会在压力容器的外部焊接补强板，这是因为在内部焊接补强板操作十分不便。另外，根据笔者从业多年的实践经验来看，相较于在容器内部焊接补强板，在容器外部焊接补强板，压力容器的性能将会得到更显著的改善，抗压能力与强度耐受性均得到明显提升。

在利用补强圈局部补强技术对开孔进行补强的过程中，要严格遵守流程要求，严格执行各项操作，避免发生安全事故。

四、厚壁接管补强设计在压力容器设计中的应用

厚壁接管补强技术，同样在压力容器设计中开孔补强中十分常见。后壁接管补强设计的关键内容，就是妥善选择合适的厚壁接管材料。据了解，厚壁接管材料主要取决于壳体材料的性质以及压力容器的使用环境。一般情况下，后壁接管补强设计选用的补强材料，会和压力容器壳体材料一致或类似，为金属性能的协调性提供良好保障。当补强材料与壳体材料并不相同时，在补强材料的应力比壳体材料低时，可适当增加补强面积，弥补应力不足的缺陷。如果补强材料的应力比壳体材料更高，则应适当减少补强面积，确保应力性能相互协调。容器开孔后，开孔边缘的局部应力会上升，按照局部应力分布规律，取距离开孔边缘较远的地方进行补强，能够有效帮助容器应力回归到正常水平。为充分发挥补强材料的性能作用，补强材料最好焊接在开孔附近的高应力区域中，也就是有效补强范围内。在对补强面积进行计算的时候，在有效补强范围内的所有多余面积，均可作为补强面积。

按照国家标准中的相关规定，进行厚壁接管补强时，选择补强板材质如果比壳体接管材料更高，不但不会对提高压力容器性能有任何帮助，甚至会带来不利影响。笔者经分析发现，造成这一情况的主要原因，是因为接管材料强度越高，对焊接工艺的要求自然会更严格，焊接过程操作不便或出现不当，势必会给工作效率与工作质量带来不利影响，最终导致整个补强结构的性能被削弱。所以，在选择接管的材料时，务必要以壳体本身材料为主。另外当接管材料强度等级比壳体材料强度低时，为确保补强效果明显，务必适当增加接管壁厚度，尽量控制接管流通面积，尽量降低焊接难度，提高整体补强效果。在厚壁补强设计中，可通过无缝钢管或锻件加工，最大化避免加工误差的发生。在设计压力较小，补强要求壁厚不大的情况下，尽量选用无缝钢管。在设计压力要求较高，补强要求壁厚较大的情况下，则可选择锻件加工技术增加补强效果。

五、整体锻件补强设计在压力容器设计中的应用

开孔强设计旨在透过补强金属，提高壳体因开孔所致的强度削弱效应，均衡应力，提高抗压能力与强度耐受性。在相同的条件下，整体锻件补强结构会导致壳体应力水平严重下滑，无法产生新的应力大点。所以，在面对这一情况时，相较于补强圈补强与接管补强设计，整体锻件的补强设计的应用将会使补强效果达到理想状态。不过，整体锻件补强和壳体的磨合比补强圈更为复杂，所以要确保壳体与整体锻件顺利磨合，以免在磨合期间，壳体局部产生应力集中。在制造操作期间，考虑到整体锻件补强方法对焊接技术有着过高要求，所以焊接加工难度会更高，加工成本也会随之上涨。所以，只有在对设计精度要求比较高或压力容器使用环境十分恶劣的情况下，才使用整体锻件补强法。

在接管内壁应力最大的区域中，于管壁厚度方向上，整体锻件补强与后壁接管补强的膜应力强度与膜加弯应力强度并无明显差异，整体锻件补强中，应力强度值相对较低。接管上端应尽量远离开孔去，当厚壁接管补强的应力强度逐渐下降，整体锻件补强的弯曲应力强度将会得以提升，最终实现膜加弯应力强度达到最大值的目的。在接管和封头焊接处接管壁厚方向上，整体锻件补强应力最低。封头接近简体的位置存在一处应力集中，在应力集中点沿封头壁厚方向上，置种补强方式下应力强度无明显差异。根据这一情况分析得知，厚壁接管除了接管顶端处应力强度最低，其他路径上应力强度值均比较大。可通过内伸管的方式，解决这一问题。当接管内伸长度不一致时，应力强度值也会有所不同。内伸长度越长，接头区应力强度值越低。当内伸长度达到15mm时，根据接头区的应力强度分布规律可发现，最大应力强度会从齐平管时的265兆帕下降至235兆帕。接管内壁的最大应力点发生明显偏移，提示内身段起到了良好的补强作用。接管内伸后，各途径上的应力强度值较于内齐平条件下，均呈现出下滑趋势。相较于补强圈补强，内伸接管补强在其他路径上应力值均有所降低，补强效果格外显著。

结束语

在压力容器设计中，开孔补强在其中占据着极为重要且关键性的作用，通过对各种开孔补强设计应用及具体的补强设计方法进行分析研究，能够有效避免容器遭受过大的不必要损害，为其应用质量及性能提供极为全面的保障。

参考文献：

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[2]司文华.使用SW6-2011计算压力容器开孔补强的几个问题[J].山东工业技术，2013（10）：33，91