壓力容器設(shè)計(jì)中開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用分析

朱國(guó)慶

（揚(yáng)州秋源壓力容器制造有限公司，揚(yáng)州 225115）

壓力容器設(shè)計(jì)中開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用分析

朱國(guó)慶

（揚(yáng)州秋源壓力容器制造有限公司，揚(yáng)州 225115）

本文概括敘述壓力容器設(shè)計(jì)中開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，比較說明了整體補(bǔ)強(qiáng)和局部補(bǔ)強(qiáng)兩種常見的補(bǔ)強(qiáng)方法，結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，提出壓力容器設(shè)計(jì)過程中開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題。并從補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)、厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)、整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)三個(gè)方面詳細(xì)地介紹不同的開孔補(bǔ)強(qiáng)方法在壓力容器設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用，為壓力容器設(shè)計(jì)過程中的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)提供借鑒和幫助。

壓力容器 開孔補(bǔ)強(qiáng) 設(shè)計(jì) 應(yīng)用

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，壓力容器由于具有儲(chǔ)量大，運(yùn)輸簡(jiǎn)單等明顯優(yōu)勢(shì)，在各領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。通常，壓力容器的開孔設(shè)計(jì)可滿足補(bǔ)強(qiáng)的需要，同時(shí)也為后期壓力容器設(shè)備檢修、維護(hù)等提供便捷的條件。在壓力容器的實(shí)際的運(yùn)用過程中，大多數(shù)的壓力容器的外接管環(huán)節(jié)需通過開孔滿足實(shí)際需要。

但壓力容器由于其性質(zhì)特殊，一旦發(fā)生安全事故，造成的社會(huì)危害極大，因此壓力容器設(shè)計(jì)過程中對(duì)開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)便顯得尤為重要?？茖W(xué)合理的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)能保證壓力容器的安全性能，減少容器的破壞，保證容器使用的順利。

1 壓力容器設(shè)計(jì)中開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

1.1 開孔補(bǔ)強(qiáng)概述

壓力容器在開孔處理后，破壞容器原有的壓力平衡狀態(tài)，造成壓力的受力面積減小，開孔邊緣的應(yīng)力增大，導(dǎo)致強(qiáng)度在原有容器的基礎(chǔ)上大大削弱，因此，必要的開孔補(bǔ)強(qiáng)能保證容器整體的壓力處于技術(shù)要求范圍內(nèi)。GB150-2011中對(duì)于圓筒、凸形封頭和錐殼（或錐形封頭）等不同類型壓力容器的開孔直徑做出明確的規(guī)定，從根本上講，就是為了保證壓力容器開孔的補(bǔ)強(qiáng)效果能滿足容器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。因此，壓力容器開孔后的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是整個(gè)壓力容器設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.2 整體補(bǔ)強(qiáng)和局部補(bǔ)強(qiáng)

在具體的實(shí)踐操作中，通過綜合考量開孔的數(shù)量、位置和壓力容器的一些其他要求，可使用不同的開孔補(bǔ)強(qiáng)方法，大體可以分為以下兩種。

第一，整體補(bǔ)強(qiáng)。這種補(bǔ)強(qiáng)方法操作較簡(jiǎn)單，適用的補(bǔ)強(qiáng)位置廣泛。適用于面積較大的開孔，而且一般容器的整體強(qiáng)度較欠缺。在一些局部操作受限制的特殊容器中也可考慮采用整體補(bǔ)強(qiáng)的方法。采用整體補(bǔ)強(qiáng)，可以大大節(jié)約補(bǔ)強(qiáng)耗材，提高整個(gè)補(bǔ)強(qiáng)工作的效率，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

第二，局部補(bǔ)強(qiáng)。由于局部補(bǔ)強(qiáng)針對(duì)壓力容器的某個(gè)特定的開孔進(jìn)行，補(bǔ)強(qiáng)工作的操作面積小，這種補(bǔ)強(qiáng)方法具有較強(qiáng)的針對(duì)性。相較于整體補(bǔ)強(qiáng)，局部補(bǔ)強(qiáng)是通過有針對(duì)性補(bǔ)強(qiáng)操作補(bǔ)充壓力容器壁上的開孔強(qiáng)度，可節(jié)約工作成本，縮短工作時(shí)間。這種補(bǔ)強(qiáng)方法的應(yīng)用范圍比整體補(bǔ)強(qiáng)更大。

2 不同的開孔補(bǔ)強(qiáng)方法在壓力容器設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用

開孔補(bǔ)強(qiáng)就是將開孔處的強(qiáng)度加以補(bǔ)充，提高開口處的強(qiáng)度等級(jí)，從而更好地強(qiáng)化被開孔壓力容器的完整性和整體質(zhì)量。實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中，開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用一般分為以下三種。

2.1 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用

在容器開孔的周圍通過貼焊一圈鋼板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的方法較為常見，用于貼焊的鐵板就是補(bǔ)強(qiáng)圈，常見的補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)一般采用兩種模式，如圖1所示。

圖1 常見的補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)采用的兩種模式

目前，補(bǔ)強(qiáng)圈的生產(chǎn)和使用已標(biāo)準(zhǔn)化。在選擇和使用補(bǔ)強(qiáng)圈時(shí)，應(yīng)使用與容器壁相同的材料，具體的補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì)尺寸可參照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，也可依據(jù)等面積補(bǔ)強(qiáng)的原則計(jì)算。應(yīng)注意的是，當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度大于等于8mm時(shí)，應(yīng)將其全部焊透，才能使補(bǔ)強(qiáng)圈與容器壁一同受力，否則就失去了補(bǔ)強(qiáng)的意義。補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，放置于壓力容器的內(nèi)外表面都可以，但通常為焊接方便，一般將補(bǔ)強(qiáng)圈放置在容器壁外側(cè)進(jìn)行單面補(bǔ)強(qiáng)。

由于補(bǔ)強(qiáng)圈具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛。但同時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)后，由于補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體間有一層靜止的氣隙存在，導(dǎo)致傳熱效果差，二者間形成溫差與熱膨脹差，易產(chǎn)生溫差應(yīng)力。另外補(bǔ)強(qiáng)圈與壓力容器壁焊接時(shí)，由于形成的結(jié)構(gòu)不是整體受力，有可能造成局部壓力過大，容器壁產(chǎn)生變形或破壞等，導(dǎo)致整體的抗疲勞性能下降。

2.2 整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用

與補(bǔ)強(qiáng)圈的特定部位補(bǔ)強(qiáng)不同，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)方法是通過最大限度地降低容器殼體的整體強(qiáng)度水平避免出現(xiàn)新的集中應(yīng)力，補(bǔ)強(qiáng)效果相對(duì)更好一些。但整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)對(duì)于整體鍛件和壓力容器壁間的過渡性有著更高的要求，因此在實(shí)際生產(chǎn)、操作過程中對(duì)于過渡焊的工藝技術(shù)的要求更高，不可避免地提高了生產(chǎn)加工成本。所以，對(duì)于整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)通常是在壓力容器使用環(huán)境相對(duì)惡劣或?qū)τ谌萜餮a(bǔ)強(qiáng)精度要求較為嚴(yán)格、苛刻的壓力容器的設(shè)計(jì)中。

2.3 厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用

厚壁接管補(bǔ)償應(yīng)用中，正確選擇厚壁接管材料是關(guān)鍵，一般會(huì)遵循壓力容器的材料特征和使用條件進(jìn)行選擇，選擇的材料強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)與母體基本一致，既不能過高也不能過低。因?yàn)閺?qiáng)度等級(jí)過高就會(huì)影響焊接的質(zhì)量，導(dǎo)致補(bǔ)強(qiáng)后的整體效果不佳。如果強(qiáng)度等級(jí)低于母體材料則有可能會(huì)對(duì)接管流通面積產(chǎn)生影響，間接的導(dǎo)致焊接效果不佳補(bǔ)強(qiáng)后的壓力水平降低。給加工誤差帶來的不利影響，可通過使用無縫鋼管或鍛件加工最大限度地減少。當(dāng)設(shè)計(jì)的容器壓力較高水平時(shí)，一般采用整體鍛件的加工方法，相反，設(shè)計(jì)容器的壓力水平較低時(shí)，可采用無縫接管補(bǔ)強(qiáng)方法。

3 結(jié)語

開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是壓力容器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵組成部分。在設(shè)計(jì)過程中，合理應(yīng)用開孔補(bǔ)強(qiáng)方法，最大限度地避免壓力容器壁的應(yīng)力集中，減少壓力容器的疲勞破壞，能較好地提升壓力容器整體的安全使用性能。如何減少開孔補(bǔ)強(qiáng)的不同設(shè)計(jì)方法的負(fù)面影響，進(jìn)行更合理的優(yōu)化和改良，還需要相關(guān)的行業(yè)主管部門和專家學(xué)者不斷地探索和研究。

[1]馬濤.壓力容器設(shè)計(jì)中開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用分析[J].工業(yè)：268.

[2]常小偉,楊萌.開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探析[J].化工管理，2014，（23）：89.

Application Analysis of Opening Reinforcement Design in the Design of Pressure Vessels

ZHU Guoqing
(Yangzhou autumn source pressure vessel manufacturing Co., Ltd., Yangzhou 225115)

This paper describes the reinforcement design of openings in the pressure vessel design, shows that the overall reinforcement and reinforcement of two kinds of common reinforcement method, combined with the actual work experience, put forward the reinforcement design problems should be paid attention to in the process of the design of pressure vessel opening. And from the reinforcing design of thick walled tube, reinforcement design, detailed introduces the application of different opening reinforcement method in pressure vessel design in the process of the whole forging up three aspects of design, to provide reference and help for the design of pressure vessel opening reinforcement design process.

pressure vessel, opening reinforcement, design application