開孔補強設計在壓力容器設計中的應用

楊巧蓮+江鵬

摘 要： 壓力容器，一般是工業(yè)生產中用于完成產品反應、傳質、傳熱、分離、儲存等生產工藝過程并在此過程中承受壓力載荷的密閉容器，是石油石化工業(yè)、能源工業(yè)、科研、軍工等國家重要產業(yè)的重要設備，其的安全性關系著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展。開孔補強設計是壓力容器設計中必不可缺的部分，開孔補強設計的計算與標準在壓力容器設備中也具有相關規(guī)定，然而，在開孔補強設計的實際應用中，其的安全性能、合理性能、成本高低等都需經(jīng)過實際驗證，本文主要對開孔補強設計在壓力容器設計中的應用進行分析，以此提高壓力容器的性能，促進國民經(jīng)濟的發(fā)展。

關鍵詞： 開孔補強設計；壓力容器設計；應用

前言：在設計壓力容器過程中，為了使壓力容器的性能發(fā)揮至最大在壓力容器的容器壁上開孔并連接接管是不可缺少的。然而，開孔處理不可避免的對容器帶來一定的損傷，影響了壓力容器的整體牢固性能，降低了壓力容器對壓力的承受能力，導致壓力容器出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)。另外，壓力容器長期處于高溫狀態(tài)下工作，在壓力容器壁的開孔以及接管連接處這一受壓薄弱環(huán)節(jié)將會受高溫影響，同時，由于制造材料上的不足等因素，導致壓力容器的開孔處與接管處產生失效、破裂現(xiàn)象，影響了壓力容器的安全性能[4]。因此，在壓力容器的設計制造中，根據(jù)國家相關規(guī)定對其進行開孔補強設計，以此彌補壓力容器的薄弱之處，提高壓力容器的安全性能與質量。

1、開孔補強設計的簡單概述

1.1、開孔補強設計的重要性

在進行壓力容器的設計中，開孔處理的操作極為常見。一般來講，在壓力容器壁上開孔多是為了后期接管方便，滿足壓力容器的功能齊全，除此外，在對壓力容器進行全面維修與養(yǎng)護、調試之時，相關人員也經(jīng)常會對容器壁進行開孔處理，保證容器的正常運行。然而，壓力容器本身是一個密閉的容器，其在運行的過程中承受著壓力的荷載，而開孔處理使得壓力容器內部應力出現(xiàn)斷層差異[2]，在很大程度上降低了容器對壓力的荷載能力，降低了容器的性能。除此外，在開孔處接管促使容器內部受力不均問題凸顯，另外應容器材料問題等多方因素，造就了壓力容器難以達到設計時的效果，極大降低了壓力容器的性能。據(jù)17年某地發(fā)生的石油石化企業(yè)的密閉容器爆炸事件調查，造成故障發(fā)生的原因竟是相關工作人員在檢修時在容器壁上進行開孔，然卻疏忽了開孔補強設計，最終導致事故發(fā)生，由此可見，在設計壓力容器或容器檢修時，了解容器的相關規(guī)范，在保證容器性能的同時，對開孔進行補強設計極為重要。

1.2、開孔補強設計的公式

在相關技術人員對容器開孔進行補強設計時，除了對補強方法、容器內部應力等的思考外，還應注意對補強設計的計算。目前，補強設計所應用的計算方法主要是a+b+c≥d，在此公式中，a表示補強設計時的多余面積，a=容器殼體有效厚度-計算厚度。b也是表示多余面積，與a不同的是，b=接管的有效厚度-計算厚度。c表示補強區(qū)域焊接時的金屬截面積。d指的是壓力容器開孔補強的面積，由此公式可看出，并不是所有的壓力容器均需補強，在壓力容器設計實行補強設計前夕，需進行多方測量與計算來確定。

2、開孔補強方法的選擇

2.1、等面積補強法

等面積補強法的原則：在容器與接管連接處周圍的補強面積等同于殼體開孔時所減少的截面積。等面積補強法的特點：安全可靠、使用簡便、多用于中低壓容器的開孔補強中。

2.2、極限分析法

極限分析法的原則：分析實驗應力，并根據(jù)不同接管、不同參數(shù)來測量應力集中參數(shù)，并繪出K=f（d、D、S0、S1）曲線，根據(jù)曲線圖進行計算[4]。極限分析法的特點：多用于對設備要求不高、容器僅受蠕變范圍之外的恒定壓力作用下的開孔補強[3]。

2.3、安定性準則法

安定性準則法的原則：計算時，若一次薄膜應力+二次薄膜應力<兩倍屈服應力值，則容器安全性有保障。安定性準則法的特點：多用于受循環(huán)壓力作用的容器，且開孔結構滿足安定性準則情況下應用，防止受到高應變疲勞或增量破壞而降低容器的性能[6]。

3、開孔補強設計在壓力容器設計中的運用

3.1、補強圈補強設計在壓力容器設計中的應用

補強圈補強，其主要施工方法為在容器壁上另外焊接一塊補強板來增加開孔處的承載面積，增大承受應力的金屬面積，降低開口邊沿的應力峰值。補強圈的設計位置關系著容器應力值的變化，對應力值具有較大影響，在開孔補強設計的發(fā)展中，相關研究人員對補強圈的設計與應力值的變化進行了嚴格的實驗，實驗的成果證明，當相同截面積的金屬材料補強圈設在容器不同位置時，其對應力系數(shù)的變化具有較大影響；當補強材料均勻分布于容器內外兩側，材料的對稱性避免了附加彎矩以及彎曲應力的產生。

3.2、整體鍛件補強設計在壓力容器設計中的應用

整體鍛件補強設計時補強設計中的重要方法，起主要作用是降低壓力容器外殼的應力值，避免新應力產生影響容器的整體性能，是補強效果最大化。然而，整體鍛件補強設計在應用中具有較高的限制，尤為突出的一條即為在殼體過渡時保持平緩度[1]。且在應用整體鍛件設計時，對過渡中所存在的某一具備過多應力的點實行嚴格的預防控制。相關工作者為全面了解補強與容器性能間所存在的問題，對各種補強設計進行大量實踐，實踐結果表明，整體鍛件補強設計方式對保持容器的性能具有很好的效果，卻因各種因素的影響，在具體施工中，操作難度大，花費成本高，對施工技術要求具有較高標準，若是存在任何一項因素未達標現(xiàn)象，則對整體補強效果帶來極為不利的影響。

3.3、厚壁接管補強設計在壓力容器設計中的應用

在壓力容器設計中，經(jīng)常使用的是厚壁補強的方式進行容器壁的開孔補強，在厚壁接管補強中，最重要的一點材料選擇，其材料選擇的方式多是根據(jù)容器殼體的外形特點以及使用條件進行選取，一般情況下，厚壁接管補強的材料多與容器所用材料相同，以此確保兩者間的金屬特性與強度一致。根據(jù)相關科研人員研究表明，在進行厚壁接管補強時，選擇材料的強度等級高于容器殼體材料的等級時，其對容器的開孔補強效果而言，并未起到效果增強的作用，相反，不匹配的材料為容器造成了一定的負擔，影響了壓力容器的整體性能[5]。另外，在厚壁接管補強設計時，采用無縫鋼管與鍛件間進行加工制作后，能有效的減少加工誤差，避免不利影響，提高容器的性能，對此，當容器壓力較大且補強厚壁較大時，采用鍛件加工所帶來的效果更好。

4、總結語

綜上所述，想要保證壓力容器功能強大，性能完好，在壓力容器壁上開孔設計不可缺少，然開孔對壓力容器的結構與性能均產生一定影響，開孔補強技術因此而被廣泛應用于壓力容器的設計中。在開孔補強設計中，應根據(jù)容器自身特點進行補強，進一步增強容器應用的安全性，避免容器遭受不必要的損害，保證壓力容器的質量?！?/p>

參考文獻

[1]劉亞明. 開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析[J]. 河南科技， 2013（9）：42-42.

[2]周金衛(wèi). 開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析[J]. 化工管理， 2014（23）：45-45.

[3]王建波. 開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析[J]. 化學工程與裝備， 2014（10）：129-130.

[4]李君民， 王立志. 開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析[J]. 門窗， 2014（11）：371-371.

[5]張倩， 蔡繼紅. 開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析[J]. 城市建設理論研究：電子版， 2014（18）：179-179.

[6]黃棣華. 開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析[J]. 企業(yè)技術開發(fā)， 2014（8）：71-71.endprint