壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用探討

鐘敏

（鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司，浙江　寧波 315042）

壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用探討

鐘敏

（鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司，浙江寧波 315042）

如何提升壓力容器的性能，實(shí)現(xiàn)壓力容器的科學(xué)設(shè)計(jì)，就成為現(xiàn)階段石油化工行業(yè)必須要考慮的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。本文旨在從開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)角度出發(fā)，在相關(guān)科學(xué)理論的之下，探究壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用，以期在提高壓力容器抗壓性能的同時(shí)，促進(jìn)石油化工行業(yè)的健康快速發(fā)展。

壓力容器 ； 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng) ； 設(shè)計(jì)理論 ；應(yīng)用策略

出于壓力容器的使用需求，在壓力容器設(shè)計(jì)的過(guò)程中，往往會(huì)在不同的位置進(jìn)行開(kāi)孔。開(kāi)孔不僅可以實(shí)現(xiàn)壓力容器的各種功能，便于功能調(diào)試與操作，還為容器自身的維護(hù)與保養(yǎng)提供了便捷條件。但是這些開(kāi)孔會(huì)改變?nèi)萜髡w結(jié)構(gòu)并且因?yàn)殚_(kāi)孔接管處幾何不連續(xù)，容器強(qiáng)度受到削弱，接管與主殼相貫處應(yīng)力集中，內(nèi)壓下產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，再加上接管上會(huì)有各種附加載荷產(chǎn)生的應(yīng)力、溫差應(yīng)力及容器材質(zhì)和制造缺陷等因素的綜合作用，往往成為容器破壞的原發(fā)部位。這就不可避免的導(dǎo)致了壓力容器整體抗壓能力的降低，不僅影響自身的實(shí)際使用效果，還大大增加了維護(hù)與保養(yǎng)成本。為了提升壓力容器的整體性，就需要我們對(duì)開(kāi)孔接管處進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)，因此開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)就有著十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用應(yīng)遵循的原則

（1）壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用必須要遵循科學(xué)性的原則。壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用在石油化工生產(chǎn)實(shí)踐中的實(shí)現(xiàn)，要充分體現(xiàn)科學(xué)性的原則，只有從科學(xué)的角度進(jìn)行石油化工生產(chǎn)的目標(biāo)，反應(yīng)的原理、反應(yīng)流程的制定以及生產(chǎn)硬件與軟件構(gòu)成式等多個(gè)方面進(jìn)行細(xì)致而全面的考量［3］。只有這樣才能夠最大限度的保證壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用能夠滿(mǎn)足石油化工生產(chǎn)實(shí)踐的要求，只有在科學(xué)精神、科學(xué)手段、科學(xué)理念的指導(dǎo)下，我們才能夠以現(xiàn)有的技術(shù)條件為基礎(chǔ)，進(jìn)行壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用的科學(xué)探索與研究。

（2）壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用必須要

遵循實(shí)用性的原則。石油化工生產(chǎn)項(xiàng)目作為人類(lèi)改造自然環(huán)境的重要社會(huì)行為，對(duì)自然環(huán)境做出了巨大的改變，經(jīng)歷從無(wú)到有，從小到大的過(guò)程。而這一過(guò)程的實(shí)現(xiàn)就需要雄厚資金的支持，從實(shí)際來(lái)看，資金的穩(wěn)定供應(yīng)與否能夠直接影響到壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用的質(zhì)量與水平，因而壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用必須要遵循實(shí)用性的原則，最大限度降低石油化工生產(chǎn)的成本投入，降低壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用方面的資金投入，從而能夠?qū)⒏嗟馁Y金利用與其他方面，保證我國(guó)石油化工產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與升級(jí)的順利進(jìn)行。

2 壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則及設(shè)計(jì)方法

壓力容器開(kāi)孔邊緣存在三種應(yīng)力，因性質(zhì)不同，補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則也不同。①開(kāi)孔邊緣局部薄膜應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則是保障開(kāi)孔局部截面的靜力強(qiáng)度或防止失穩(wěn)。②孔邊因變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，由于屬于二次應(yīng)力，對(duì)種應(yīng)力的控制和補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則應(yīng)從安定性加以考慮。③孔邊的峰值應(yīng)力，器破壞與疲勞相關(guān)聯(lián)，對(duì)于這種應(yīng)力的控制也即補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)從疲勞強(qiáng)度進(jìn)行考慮。

壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)從設(shè)計(jì)方法區(qū)分大致以下幾種：①等面積法；②圓筒徑向開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)分析法（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“分析法”）；③壓力面積法；④其他方法，如試驗(yàn)應(yīng)力分析法等。

在壓力容器常規(guī)設(shè)計(jì)中，上述的等面積法和分析法是經(jīng)過(guò)我國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)認(rèn)可的設(shè)計(jì)方法。壓力面積法是原西德AD規(guī)范中的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法，在我國(guó)尚不能作為合法的設(shè)計(jì)依據(jù)，當(dāng)殼體開(kāi)孔超出GB150—2011規(guī)定時(shí)，該法只能參考使用。應(yīng)力分析法則常用于壓力容器分析設(shè)計(jì)中。

等面積法適用于壓力作用下的殼體和平封頭上的圓形、橢圓形或長(zhǎng)圓形開(kāi)孔。具體的適用范圍詳見(jiàn)GB150.3—2011中6.1.2條。

分析法是清華大學(xué)薛明德教授歷時(shí)20多年的研究而提出的薄殼理論解，用于內(nèi)壓作用下具有徑向接管圓筒的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，其使用范圍如下：

d≤0.9D且最大［0.5，d/D］ ≤δet/δe≤2

其中：

d——接管中面直徑；

D——圓筒中面直徑；

δet——接管有效厚度；

δe——?dú)んw開(kāi)孔處的有效厚度。

壓力面積法使用范圍較等面積法大，其開(kāi)孔直徑與殼體外徑之比≤0.8。

等面積法是基于靜力平衡，即以開(kāi)孔有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的金屬面積（包括殼體、接管、補(bǔ)強(qiáng)材料等）的承載能力與內(nèi)壓力載荷相平衡為準(zhǔn)則的計(jì)算方法。它有一定的局限性，等面積法粗略地認(rèn)為在補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)金屬的均勻分布降低了孔邊緣的應(yīng)力集中作用；忽略了開(kāi)孔處應(yīng)力集中于開(kāi)孔系數(shù)的影響，例如相同大小的圓孔，當(dāng)殼體直徑很大時(shí)造成的強(qiáng)度削弱就小，反之殼體直徑很小時(shí)，開(kāi)孔率很大，削弱也大，因此等面積法有時(shí)富裕，有時(shí)顯的不足。所以等面積法限定了較小的開(kāi)孔率等特定條件。等面積法不適用與疲勞強(qiáng)度要求的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

分析法的模型假定接管和殼體是連續(xù)的整體結(jié)構(gòu)，因此在使用分析法時(shí)，應(yīng)保證焊接接頭的整體焊透性和質(zhì)量。分析法的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是基于塑性極限與安定分析得出的，通過(guò)保證一次加載時(shí)有足夠的塑性承載能力和反復(fù)加載的安定要去來(lái)保證開(kāi)孔安全。使用分析法時(shí)，須保證不超過(guò)GB150—2011中規(guī)定的范圍，且不得查過(guò)曲線(xiàn)查詢(xún)范圍。分析法也不適用與疲勞強(qiáng)度要求的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

壓力面積法也是基于靜力平衡為準(zhǔn)則的計(jì)算方法。它對(duì)于具有大開(kāi)孔的薄壁殼體只能滿(mǎn)足靜載荷設(shè)計(jì)要求，不能滿(mǎn)足安定性要求。所以按AD規(guī)范B篇設(shè)計(jì)的容器應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足安定性要求：即在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，允許安全幅度的壓力循環(huán)不超過(guò)1 000次。

在不滿(mǎn)足安定性要求的容器下，壓力面積法無(wú)法給出開(kāi)孔率與壁厚的比值定量數(shù)值，這是因?yàn)閴毫γ娣e法無(wú)法給出開(kāi)孔邊緣的局部應(yīng)力。當(dāng)開(kāi)孔率較小時(shí)，其設(shè)計(jì)偏保守。

3 壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)型式

殼體的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)可采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)和整體補(bǔ)強(qiáng)兩種結(jié)構(gòu)型式。

在進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程中，局部強(qiáng)化是一種較為常見(jiàn)的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方式，在大多數(shù)情況下回采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的方式來(lái)進(jìn)行操作。補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)是利用焊接技術(shù)，在壓力容器的壁上焊接補(bǔ)強(qiáng)板材，借助于補(bǔ)強(qiáng)板材來(lái)有效提升開(kāi)孔周?chē)目箟耗芰?，作為一種直接有效地開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方式，補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)能夠有效地節(jié)約人力與物力投入。我們?cè)谶M(jìn)行操作的過(guò)程中必須注意以下幾點(diǎn)。

（1）對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)板材的厚度要進(jìn)行考量。在進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要從容器自身的特性出發(fā)，將容器的體系大小、開(kāi)孔的數(shù)量以及補(bǔ)強(qiáng)的實(shí)際要求進(jìn)行綜合判斷與分析，在此基礎(chǔ)上科學(xué)合理的選擇補(bǔ)強(qiáng)板材的厚度。一般來(lái)說(shuō)補(bǔ)強(qiáng)板材的厚度應(yīng)該小于等于是殼體厚度的1.5倍左右。這有這樣的板材厚度才能夠保證補(bǔ)強(qiáng)效果，提升壓力容器的整體抗壓性能。

（2）提升補(bǔ)強(qiáng)圈的環(huán)境適應(yīng)能力與性能的穩(wěn)定性。由于壓力容器特殊的工作環(huán)境，使得補(bǔ)強(qiáng)圈的適用范圍較小，一般來(lái)說(shuō)當(dāng)壓力容器處于極強(qiáng)腐蝕性以及氧化環(huán)境下時(shí)，就不能采用補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。近些年來(lái)由于補(bǔ)強(qiáng)板材材質(zhì)上的不斷優(yōu)化，使得補(bǔ)強(qiáng)圈的環(huán)境適應(yīng)性有所提升，但是這種提升并不是無(wú)極限，我們?nèi)匀灰鶕?jù)壓力容器的實(shí)際工作環(huán)境，對(duì)補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行取舍，以保證壓力容器正常工作。保證工業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

整體補(bǔ)強(qiáng)是指采取增加殼體厚度，或用全焊透的結(jié)構(gòu)型式將厚壁管或整體補(bǔ)強(qiáng)鍛件與殼體相焊的補(bǔ)強(qiáng)型式。

［1］ 付雙武.在壓力容器中的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.科技與企業(yè)，2014（3）.

［2］ 李世玉.壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程 . 新華出版社.

［3］黃燕麗. 大開(kāi)孔結(jié)構(gòu)壓力容器有限元分析及強(qiáng)度設(shè)計(jì)［D］. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)， 2014（13）.

［4］ GB150—2011.壓力容器.

［5］ 壽比南等. GB150—2011壓力容器標(biāo)準(zhǔn)釋義.

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Application ofpressure vessel opening reinforcement design

TH49

1009-797X（2016）10-0018-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.005

鐘敏（1980-），男，江西宜春，工程師，本科，從事工作為壓力容器及加熱爐設(shè)計(jì)。