開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探析

黃棣華

摘 要：在壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行設(shè)計(jì)是作為重要環(huán)節(jié)之一，隨著我國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)進(jìn)程發(fā)展，出臺(tái)了相關(guān)政策針對(duì)壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)做出相關(guān)要求與計(jì)算，在規(guī)范的要求下，實(shí)際過(guò)程中對(duì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的安全、性價(jià)比等都提出了更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?，在設(shè)計(jì)過(guò)程中值得進(jìn)行實(shí)踐研究。

關(guān)鍵詞：開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)；壓力容器設(shè)計(jì)；應(yīng)用探析

中圖分類號(hào)：TH49 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）23-0071-01

在壓力容器理論設(shè)計(jì)階段，對(duì)壓力容器進(jìn)行開(kāi)孔設(shè)計(jì)是必不可少的。通常情況下，壓力容器會(huì)在容器壁上開(kāi)孔，大部分情況下是為了滿足能夠安裝在容器上的接管需要，另外，為了便于壓力容器的其他檢測(cè)、測(cè)試功能的需要也會(huì)進(jìn)行開(kāi)孔操作或者為了能夠便于壓力容器的日常維護(hù)、維修等調(diào)試操作同樣需要進(jìn)行開(kāi)孔操作。當(dāng)然，進(jìn)行壓力容器的開(kāi)孔操作勢(shì)必會(huì)對(duì)壓力容器的壓力造成影響，進(jìn)而會(huì)影響到壓力容器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，不僅降低了壓力容器的壓力標(biāo)準(zhǔn)，也影響了壓力容器的安全性。由于壓力容器的開(kāi)孔操作會(huì)使得開(kāi)孔局部部位存在受力不均的現(xiàn)象，而造成不同部位的壓力差升高，造成的后果是壓力容器的承受能力會(huì)降低。另外，壓力容器由于工作環(huán)境的因素，開(kāi)孔部位會(huì)長(zhǎng)時(shí)間暴露在高壓或者高溫的狀態(tài)下，這樣增加了開(kāi)孔部位不安全的因素。同時(shí)，不安全因素還有開(kāi)孔部位的連接材料并不能得到保障，進(jìn)而造成了開(kāi)孔部位發(fā)生破損的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)壓力容器造成更大的不安全因素。根據(jù)國(guó)家壓力容器設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)定，在壓力容器設(shè)計(jì)階段必須針對(duì)開(kāi)孔做補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，降低出現(xiàn)開(kāi)孔操作以后的安全風(fēng)險(xiǎn)。一旦開(kāi)孔操作，往往會(huì)降低壓力容器開(kāi)孔部位的壁厚，強(qiáng)度會(huì)隨著壁厚的降低而減弱，壓力容器的安全穩(wěn)定性就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)，降低風(fēng)險(xiǎn)的有效途徑是在開(kāi)孔部位做相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)壓力容器高效運(yùn)作和安全生產(chǎn)的目標(biāo)。

1 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的方法選擇

壓力容器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)有多種形式。首先，對(duì)開(kāi)孔部位的局部補(bǔ)強(qiáng)就是其中主要手段之一，最為常見(jiàn)的是在開(kāi)孔部位加強(qiáng)厚度，也就是增加開(kāi)孔部位的容器壁厚被廣泛利用。這種設(shè)計(jì)是在壓力容器開(kāi)孔的部位進(jìn)行厚度增加，焊接相應(yīng)的強(qiáng)化板，增加壓力容器開(kāi)孔部位的實(shí)際厚度，達(dá)到開(kāi)孔之前的金屬密度甚至超過(guò)開(kāi)孔之前的金屬密度，因?yàn)楹附泳植渴艿綏l件因素影響會(huì)產(chǎn)生縫隙，在高壓高溫情況下氧化程度就極度擴(kuò)大，腐蝕接觸點(diǎn)，進(jìn)而增加危險(xiǎn)系數(shù)。在實(shí)際操作中，壓力容器的加工維護(hù)角度來(lái)看，在壓力容器外壁進(jìn)行相應(yīng)的焊接操作更具有可實(shí)現(xiàn)性，所以，一般情況下，壓力容器都會(huì)在其外壁進(jìn)行焊接強(qiáng)化板的操作，而且從實(shí)際的效果來(lái)看也證實(shí)容器壁外壁的焊接更容易提升強(qiáng)化作用。在采用此類方法進(jìn)行壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的同時(shí)，應(yīng)該注意到，首先，一般情況下，開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的實(shí)際厚度不能超過(guò)容器壁其他地方厚度的2倍，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，如果開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的位置焊接厚度超過(guò)2倍，焊接過(guò)程會(huì)暴露更多焊接角度，造成實(shí)際受力減弱，壓力會(huì)對(duì)焊接縫隙進(jìn)行沖擊。同時(shí)，還要考慮焊接板材料的選取，盡可能選用抗高壓材料、耐腐蝕材料以及抗高溫耐火材料，減少環(huán)境因素對(duì)材料的影響作用。其次，特殊環(huán)境因素影響過(guò)大的壓力容器不適合此類開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方式，例如工作環(huán)境腐蝕極其嚴(yán)重以及溫度壓力長(zhǎng)時(shí)間過(guò)高，并且溫差起伏過(guò)大。

之所以要對(duì)壓力容器進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，是因?yàn)樾枰獙?duì)金屬外殼的進(jìn)一步強(qiáng)化來(lái)擬補(bǔ)因開(kāi)孔而造成的金屬壁厚度的減弱，并且盡可能減少因?yàn)檠a(bǔ)強(qiáng)帶來(lái)的新反應(yīng)。理論上來(lái)說(shuō)，在相同條件下，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)是強(qiáng)化金屬壁外殼使得結(jié)構(gòu)受力程度降低的最大并且鮮有新的受力不均出現(xiàn)，所以，相對(duì)于局部補(bǔ)強(qiáng)來(lái)說(shuō)，整體鍛件的設(shè)計(jì)在壓力容器受力補(bǔ)強(qiáng)方面實(shí)際效果達(dá)到的最為理想，萬(wàn)事都有正反面，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)方法也不例外，它要比局部補(bǔ)強(qiáng)要求更高，正常理解為需要按照補(bǔ)強(qiáng)保護(hù)殼與整體鍛件在一個(gè)過(guò)渡區(qū)間，減少在過(guò)渡期間外壁受力不均。在實(shí)際的操作過(guò)程中，此類方法因?yàn)橐蟮倪^(guò)于苛刻，技術(shù)過(guò)于高深，導(dǎo)致工作量的加大與工作成本過(guò)高，很難實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的加工。這樣對(duì)于只有要求精度過(guò)于嚴(yán)謹(jǐn)，環(huán)境過(guò)于惡劣的壓力容器才會(huì)采用此類補(bǔ)強(qiáng)辦法。

另外，除了以上方法以外，還可以根據(jù)物理受力知識(shí)，對(duì)壓力容器后壁進(jìn)行分壓補(bǔ)強(qiáng)，所謂的分壓補(bǔ)強(qiáng)是在保證壓力容器正常運(yùn)作的同時(shí)，開(kāi)孔局域的對(duì)立外置同樣進(jìn)行開(kāi)孔操作，盡量減少其他位置的開(kāi)孔操作，這樣可以平均壓力容器金屬壁兩側(cè)的外部受力，進(jìn)而達(dá)到開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的效果。一般在進(jìn)行此類補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用強(qiáng)度等級(jí)相當(dāng)高的材料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)殼體的設(shè)計(jì)，補(bǔ)強(qiáng)的厚度和密度都要高于原來(lái)壓力容器的平均密度。同樣，由于此類方法要求過(guò)高，在實(shí)際焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生不利影響，并造成結(jié)構(gòu)體的性能降低，所以盡可能選用密度強(qiáng)度以及材料等級(jí)與壓力容器本身材料相同的接管，并結(jié)合前兩種方式的共同作用，根據(jù)實(shí)際環(huán)境因素適當(dāng)采用局部補(bǔ)強(qiáng)與鍛件補(bǔ)強(qiáng)，合理解決實(shí)際問(wèn)題，把風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

2 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)實(shí)際操作應(yīng)該注意的問(wèn)題

提高安全，減少風(fēng)險(xiǎn)，開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)在壓力容器的早起設(shè)計(jì)中很重要，能夠有效預(yù)防實(shí)際工作中危險(xiǎn)的發(fā)生。因此，在實(shí)際壓力容器設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的方案要規(guī)定注意事項(xiàng)并且要充分了解且嚴(yán)格遵守，認(rèn)真對(duì)待問(wèn)題的重要性，加強(qiáng)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的意識(shí)，避免壓力容器因?yàn)槭褂貌划?dāng)而造成安全問(wèn)題，才能夠保障操作單位與人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。在實(shí)際工作中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

①嚴(yán)格按照理論標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接管厚度進(jìn)行把關(guān)，厚度一定要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于接管來(lái)說(shuō)，厚度過(guò)大對(duì)焊接不利，厚度過(guò)小對(duì)反復(fù)壓力沖擊不能起到保護(hù)。另外，接管的接觸面積盡可能與壓力容器開(kāi)孔面積一致，并且厚度相同，厚度相差越大，受力能力越小。因此開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中，為了滿足相應(yīng)要求，會(huì)加大厚度，如果出現(xiàn)此類現(xiàn)象應(yīng)該將接管伸入壓力容器壁內(nèi)，減輕接管厚度同時(shí)增加開(kāi)孔壓力容器局部厚度。

②在實(shí)際開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中容易忽視一個(gè)問(wèn)題，關(guān)于導(dǎo)熱類壓力容器開(kāi)孔需要補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)，要考慮容器的長(zhǎng)度，在滿足范圍內(nèi)的補(bǔ)強(qiáng)操作的同時(shí)，要注意超出范圍的部分，不能隨意增加容器厚度，這樣不利于散熱，反而增加容器的壓力。

3 結(jié) 語(yǔ)

總之，開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中不可缺少，是壓力容器安全以及性能的重要保障。同時(shí)，需要在設(shè)計(jì)操作過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際環(huán)境的不同進(jìn)行合理的補(bǔ)強(qiáng)方式，通過(guò)結(jié)合不同方式的優(yōu)點(diǎn)來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)，有利于壓力容器的正常運(yùn)作，降低風(fēng)險(xiǎn)。

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