浅析开孔补强设计在压力容器设计中的应用

浅析开孔补强设计在压力容器设计中的应用

柴波

烟台宏远氧业股份有限公司 山东 烟台 264000

摘要：在压力容器应用过程中，开孔补强设计应用价值较高，其开孔补强设计也是最为核心设计步骤。基于此，本文主要分析开孔补强结构与使用情况，并提出开孔补强设计在压力容器设计中的应用对策与应用价值，以供参考。

关键词：压力容器；设计内容；开孔补强

引言：在目前，为合理提升压力容器性能，实现压力容器现代化发展，应切实发挥出开孔补强设计在压力容器设计中的价值，并依据压力容器开孔补强设计应用办法，在提升压力容器抗压性能时，确保我国医用氧舱及化工产业快速发展，为我国经济发展作出贡献。

1. 关于开孔补强结构与使用情况概述

首先，开孔补强结构有补强圈补强、整锻件补强、整体加厚壳体补强，这几种补强结构在合理被利用在压力容器设计中时，可依据开孔周围材质抗压强度提升压力容器整体强度，并且在针对压力容器外壁所开小孔周围实施开孔补强技术后，可从整体上提升压力容器各项性能。其次，在基于压力容器使用需求实施开孔补强技术时，应避免出现容器强度削弱或接管与主壳相贯处应力集中的情况，以此应合理选择开孔补强结构并遵循压力容器设计原则。例如，补强圈补强技术，比较适合厚壁容器上口径较小的接管，以及无法双面焊又不允许带焊接垫板的结构。对于小口径的安放式结构，接管连接面也可以加工成平端面，壳体上加工一个浅的平底沉孔，便于定位装配以及接管连接面的机加工。例如，在整锻件补强中，该操作结构是将补强区集中在了应力区域内，进而降低应力集中系数，发挥补强实际效果，但该结构的缺点是锻件供应困难、成本较高，以此该结构可在重要设备中进行补强应用。

2. 开孔补强的重要性分析

2.1满足压力容器发展需求

随着我国科学技术的加快发展，在目前各行各业都为我国经济发展做出了贡献，而压力容器在当下医用氧舱及化工产业发展中作为主要的封闭设备，所使用的范围较为广泛，以此应合理利用开孔补强，不断提升压力容器性能与质量，在确保压力容器达到安全规定标准后，确保满足压力容器在医用氧舱及化工业的发展需求。

2.2确保压力容器性能得以充分发挥

在压力容器设计中，为确保压力容器各项性能得以发挥，应进行开孔补强操作，其开孔补强可针对压力容器本身进行改造，并合理提升压力容器的各项性能。例如，为提升压力容器的强度、牢固度在进行开孔补强设计时，工作人员应结合开孔补强实际需求、压力容器材质等基础情况进行开孔补强设计，进而确保开孔补强设计在压力容器中得到合理的运用，使得压力容器性能再上一个台阶。

3. 开孔补强设计在压力容器设计中的应用对策

3.1补强圈设计办法

首先，在压力容器设计中为发挥开孔补强效果，应针对补强圈进行合理的设计，补强圈是工程上广泛采用的一种局部补强结构，其补强圈通常是指在压力容器壳体开孔的周围位置上，所附加焊接的一圈金属环板。补强圈属于受压元件，一般需用与壳体相同材质的选材，可根据贴合位置划分为内侧贴补强、外侧贴补强以及双面贴补强三种形式，其压力容器补强圈的优点为，结构简单,便于制造；使用广泛,实践经验丰富,应用普遍。

其次，在补强圈设计中，设计人员应明确认识到补强圈不适用的情况，其补强圈与接管的角焊缝焊缝及检测都比较困难，以此合理设计角焊缝的坡口就显得重要了，并且在依据规定标准（JB/T 4736的1.2-1.4和HG/T20583的9.2.2）要求进行设计时，其设计人员应明确认识到不宜采用补强圈补强的情况。如，当Rm>540的高强钢及Cr-Mo钢时不宜采取；极高度危害介质场合时不宜采取；需要疲劳分析的场合时不宜采取；以及低温、高压、高温、壳体较厚、所需补强圈较厚、补强圈壳体厚度比较大等情况时不宜采取。此外，若所需补强圈外径及厚度超出JB/T4736范围的，宜考虑改用其他补强方法（常压罐上使用的除外）。因此在设计人员明确补强圈设计要点后，应合理把控设计内容，并使得压力容器不存在任何安全隐患问题，并且在局部补强技术无法发挥到压力容器压力性能强化时，设计人员应当考虑压力容器整体性的不强操作，进而确保设备应力、承载力满足压力容器设计所需。

3.2针对厚壁管进行补强

首先，在针对厚壁管进行补强操作时，工作人员应注意合理选择接管的材料，其材料质量直接关乎于压力容器质量以及安全运行效果，并且在补强操作中也会受所选取的接管材料的影响。其次，在合理选择出强度适合的接管材料后，应计算出开孔补强在实际应用中的数据，一般来说可按大平板开小圆孔的弹性力学解析解，在离孔边孔距离为孔的半径（d/2）处，因开孔的产生的应力集中已迅速衰减。因此在计算B值时，可取半径2分之一处进行计算，并且应尽量使补强所需面积的三分之二集中于开孔边缘 d/4处，在实际宽度小于2d时应首先考虑增加靠近开孔处的补强面积（如加厚接管或补强圈厚度等），然后才是增加宽度。例如，管箱筒体上开孔较大时，不能为了保证B=2d，而盲目增加管箱筒体长度。并且为了避免应力集中与法兰和接管的焊缝重叠，接管外伸高度应首先保证h1≥sqrt(dt)。若采用厚壁锻管补强，只有锻管颈部削边以下的部分才能参与补强计算，所以要留心计算时锻管的实际外伸长度。在计算完毕后，应针对接管壁的厚度进行分析，进而确保接管补强可达到良好的应用效果，在分析后应重点强化开孔补强效果，并结合合理的把控确保发挥管壁补强在压力容器设计中的利用，并依据所选取的材料、计算结果为后续补强效果奠定出扎实、可操作性的基础

^[1]。

3.3针对整体锻件进行补强

首先，根据调查，在开孔补强技术被合理应用在压力容器设计阶段时，该技术可发挥出布局补强技术与整体补强技术的优势。其次，从理论角度进行分析，其整体补强技术在整体锻件中补强效果较好，并且在实际设计与应用过程中可避免出现焊接问题。例如，在实际应用过程中，其整体锻件自身所具备的硬度问题、延展性问题会在焊接过程中出现较多的问题，不仅增加了工程的难度也导致设计成本有所增加。因此，应当合理把控局部补强技术与整体增强技术的优势，进而确保发挥出最大化补强效果，并依据压力容器实际情况进行分析，确保发挥出补强效用^[2]。

图为整体补强锻造件

结束语：综上所述，开孔补强设计作为压力容器设计中最为重要的阶段，为合理发挥出开孔补强技术，应以三种结构结合压力容器设计情况进行针对性地选择，进而确保开孔补强技术可支撑压力容器运行效果。

参考文献：

[1]张馨元. 开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J]. 百科论坛电子杂志,2019(23):386.

[2]陈晓燕. 化工压力容器设计中的选材和补强分析[J]. 商品与质量,2019(46):257,276.