在壓力容器中的開孔補強結(jié)構(gòu)設(shè)計

【摘要】對于壓力容器設(shè)計來說，開孔補強結(jié)構(gòu)的設(shè)計是非常重要的一部分，這就要求了開孔補強結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要本著安全、合理、科學(xué)、經(jīng)濟的原則來進行，而且對其進行優(yōu)質(zhì)的設(shè)計可以大大降低壓力容器的設(shè)計成本和生產(chǎn)成本。開孔補強技術(shù)對壓力容器的安全性和實用性起到很大的作用，能夠保障壓力容器在內(nèi)部壓力下的安全使用，并能相應(yīng)延長其使用壽命。對于需要應(yīng)用到壓力容器的行業(yè)來說，可以節(jié)約生產(chǎn)運輸成本，降低在生產(chǎn)運輸中出現(xiàn)事故的幾率。本文通過對壓力容器的開孔補強結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究與分析，對開孔補強的幾種方法進行論述，總結(jié)出對于不同壓力容器而是用不同開孔補強結(jié)構(gòu)的優(yōu)選設(shè)計，從而達到在壓力容器的生產(chǎn)使用過程中追求追高性價比的目的，在保證壓力容器質(zhì)量的基礎(chǔ)上，減少成本投入和資料浪費。

【關(guān)鍵詞】壓力容器；補強；開孔補強

一、開孔補強結(jié)構(gòu)的含義

所謂開孔補強結(jié)構(gòu)，是指在壓力容器上開孔之后，為了提高開孔周圍材質(zhì)抗壓強度的降低而進行補救的方法。壓力容器為同材質(zhì)材料制造而成，因不同的要求需要在容器外壁開出不同類型的小孔，這樣就會導(dǎo)致壓力容器整體抗壓強度的下降，可能會導(dǎo)致壓力容器的使用出現(xiàn)問題或是致使其使用壽命縮短。因此，在容器外壁所開小孔周圍加以維持容器整體強度的保護措施，也就是開孔補強技術(shù)是非常重要的。在開孔補強技術(shù)的具體實施中，可以根據(jù)開孔位置、數(shù)量、以及對容器的其它需求等因素，大致分為整體補強和局部不強。

（一）整體補強

整體補強是一種大面積的補強方式，它的使用只要在壓力容器開孔較多或是局部不強不方便，以及容器整體強度不夠需要整個壓力容器進行補強作業(yè)時采用的方法。其優(yōu)點在于補強位置全面、實施方便，在壓力容器開孔較多位置集中是，能夠提升開孔補強的工作效率。而他的不足在于，不能有針對性地對需要著重加強強度的位置進行補強，而且對單一開孔進行整體不強會造成材料的浪費。

（二）局部補強

局部補強相對于整體補強來說，就是以有針對性的補強方法對壓力容器上所開的小孔進行強度補充。它的應(yīng)用范圍相對于整體補強要大很多，在沒有特殊情況下，及壓力容器的開孔補強都是進行局部不強的。它的特點是可以有針對性的對壓力容器的某一處進行小孔補強，而不必像整體補強一樣對大面積的容器都進行補強作業(yè)。補強元件與殼體金屬熔焊成一體的可作為整體受力結(jié)構(gòu)，其抗疲勞性能好，如接管補強、整鍛件補強和加厚殼體補強。補強圈補強屬非整體受力結(jié)構(gòu)，其抗疲勞性能較差。制造時如必須在主要焊縫上開孔，則應(yīng)對開孔邊緣的焊縫作100%無損探傷。

二、開孔補強結(jié)構(gòu)設(shè)計

開孔補強的結(jié)構(gòu)設(shè)計在壓力容器的生產(chǎn)和使用過程中起到至關(guān)重要的作用，他保障了壓力容器的使用安全和使用壽命的延長。而且壓力容器開孔補強結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要根據(jù)該壓力容器的特點，有針對性地進行補強結(jié)構(gòu)設(shè)計，不可盲目地對所有壓力容器采用同種小孔補強設(shè)計和技術(shù)實施，如若不然，可能導(dǎo)致壓力容器的抗壓效果參差不齊，從而增加發(fā)生事故的幾率。開孔補強設(shè)計應(yīng)遵循兩個基本要求：要附加足夠的金屬來補償由于開孔而引起的強度削弱，一般是通過補強計算來保證的；增加的補強材料直接設(shè)置在開孔的鄰近部位上，但在剖面和外形上應(yīng)作適當(dāng)?shù)奶幚?，使其不再引起額外的應(yīng)力集中。補強結(jié)構(gòu)的設(shè)計就是圍繞著這樣的要求來進行的。在此重點介紹合理的補強結(jié)構(gòu)設(shè)計方面應(yīng)注意的問題。

（一）補強圈補強

補強圈補強是在容器的壁上另外焊接一塊補強板來增加開孔處的承載面積，由于承受應(yīng)力的金屬面積增大了，所以開孔邊緣處的應(yīng)力峰值降低。補強圈的位置對最大應(yīng)力值有較大的影響，實踐已證明，在補強的有效范圍內(nèi)補以同樣截面尺寸的金屬材料，采用不同的位置時，對應(yīng)力集中系數(shù)則有顯著的影響。補強材料均勻地布置在容器的內(nèi)、外兩側(cè)，不會引起材料的不對稱，從而避免產(chǎn)生附加彎矩和相應(yīng)的彎曲應(yīng)力。近年來大量的實際使用情況表明補強圈與器壁連接處的搭接焊縫，不僅因此處容器形狀發(fā)生突變，造成較高的局部應(yīng)力，還由于焊接過程中容器壁對焊縫金屬具有很大的約束作用，妨礙其冷卻收縮，從而容易在焊根處出現(xiàn)焊接裂紋。特別是高強度鋼淬硬性大，對焊接裂紋比較敏感，更容易開裂。因此，必須采用預(yù)熱及焊后熱處理等措施，防止此焊接裂紋的發(fā)生。

（二）整體補強

整體補強則不受上述條件的限制，具有結(jié)構(gòu)簡單、焊縫質(zhì)量容易檢驗、補強效果好、適用范圍廣、制造加工方便等優(yōu)點，因此具有廣泛的使用前景。若條件許可，推薦以厚壁管代替補強圈進行補強。整體補強包括增加殼體厚度、或用全焊透結(jié)構(gòu)型式將厚壁管或整體補強鍛件與殼體相焊。整體補強一般采用厚壁管形式，厚壁管的材料應(yīng)根據(jù)設(shè)備的操作條件和介質(zhì)特性來選取，一般應(yīng)選擇與殼體材料相同類別和強度等級的材料。選擇接管強度等級比殼體材料等級高的材料，對補強效果沒有什么影響。若選擇接管強度等級小于殼體材料強度等級的材料，則補強面積需按殼體材料與補強材料許用應(yīng)力之比增加。

三、開孔補強結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題

開孔補強機構(gòu)設(shè)計在壓力容器的設(shè)計中起到極其重要的作用，也正是因為這些作用，要求在對壓力容器進行開孔補強是需要對其中包含的注意事項進行了解并嚴格遵守。只有充分到問題的重要性，并且嚴謹遵守操作步驟才能有效避免問題的發(fā)生，避免為壓力容器的使用埋下安全隱患，從而造成應(yīng)用單位的不必要損失甚至威脅到有關(guān)人員的生命安全。下面本文對壓力容器開孔補強結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題進行探討很分析，其中包括兩點：

（一）接管大端厚度一般不超過殼體厚度的1.5倍，最大不超過殼體厚度的2倍。這是因為接管越厚其剛度就越大，對容易產(chǎn)生冷裂紋的材料來說是不利的。另外，接管與殼體連接的厚度差越大，兩者的剛度差就越大。但是開孔補強設(shè)計中，有時為了滿足補強面積的要球，經(jīng)計算接管厚度可能超過2倍的殼體厚度，這種情況下解決的方法有：1、接管伸入殼體內(nèi)部可大大減小接管的大端厚度；②增加開孔處局部殼體的厚度，以達到減小接管厚度，降低接管厚度與殼體厚度之比值。

（二）開孔補強結(jié)構(gòu)設(shè)計中另一個容易忽略的問題，就是當(dāng)換熱器管箱的開孔需要進行補強計算時，有時因管箱長度不夠，不能滿足有效補強范圍的要求，同時又受工藝條件的限制，不能隨意地增加管箱的長度，這時雖然設(shè)計了補強圈。

結(jié)束語

開孔補強技術(shù)的設(shè)計在壓力容器的設(shè)計及制造過程中所起到的作用是不言而喻的，它既能夠為壓力容器的安全使用提供保障，又能夠節(jié)省壓力容器使用過程中的維修費用。開孔補強機構(gòu)的設(shè)計并不是單一的，它的多種方式都能夠為壓力容器提供保障。但也正因為如此，在為壓力容器進行開孔補強設(shè)計時應(yīng)針對其自身特點及使用方向而做出科學(xué)合理而又經(jīng)濟實惠的設(shè)計方案，在保證壓力容器質(zhì)量以及使用壽命的基礎(chǔ)上，盡量減少成本投入材料浪費，追求高性價比。這才是開孔補強技術(shù)在壓力容器中的應(yīng)用的發(fā)展方向，為壓力容器使用單位創(chuàng)造出安全使用的平穩(wěn)發(fā)展道路。

作者簡介

[1]劉亞明.開孔補強設(shè)計在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用探析.《河南科技》，2013年9期