淺談開孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

何禹

（大慶油田工程有限公司，黑龍江 大慶 163712）

在對(duì)壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的過程中，開孔操作這個(gè)環(huán)節(jié)極為重要，其可以很好地提高壓力容器的整體性能。但在完成壓力容器開孔操作之后，會(huì)或多或少的改變設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)，如內(nèi)部對(duì)于壓力的承受能力以及對(duì)于局部應(yīng)力的承受能力等都會(huì)有一定程度的變化，這種情況會(huì)造成實(shí)際運(yùn)行期間安全隱患的出現(xiàn)。在對(duì)壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，開孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用能夠使上述提及的安全隱患得到有效的消除。

1 壓力容器設(shè)計(jì)期間補(bǔ)強(qiáng)圈的應(yīng)用

補(bǔ)強(qiáng)方式之中的局部補(bǔ)強(qiáng)是一種已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法，通過對(duì)補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)方式進(jìn)行利用，能夠使這個(gè)目標(biāo)得到有效的實(shí)現(xiàn)。補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)是指在壓力容器壁上焊接補(bǔ)強(qiáng)板，需要利用容器壁金屬的厚度更好地提升金屬開孔周邊容器壁強(qiáng)度。補(bǔ)強(qiáng)板的焊接操作一般都是在容器外壁進(jìn)行的，這樣操作能更好地提高施工期間的便捷性。補(bǔ)強(qiáng)圈技術(shù)應(yīng)用到壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，特別需要對(duì)以下幾方面內(nèi)容給予重視。

（1）對(duì)補(bǔ)強(qiáng)板的厚度進(jìn)行嚴(yán)格的控制。按照容器規(guī)格，設(shè)計(jì)人員需要有針對(duì)性的做出一些有效的補(bǔ)強(qiáng)，然后還要按照容器開孔的相關(guān)需求和補(bǔ)強(qiáng)的具體特點(diǎn)計(jì)算確定補(bǔ)強(qiáng)板的厚度。大多時(shí)候，選擇的前提是容器開孔處鋼板的厚度，GB150-2011中對(duì)補(bǔ)強(qiáng)板厚度的要求是不超過開孔處鋼板厚度的1.5倍。施工過程中如果選用的補(bǔ)強(qiáng)板比較厚，會(huì)明顯增加焊接的角度，還很有可能產(chǎn)生一些間接的應(yīng)力。正確選擇補(bǔ)強(qiáng)板的材質(zhì)非常重要，要求在使用過程中保證所選材質(zhì)具有延展性和可塑性。

（2）保證補(bǔ)強(qiáng)圈技術(shù)的應(yīng)用和補(bǔ)強(qiáng)圈的適用范圍相匹配?；て髽I(yè)中常用的化工容器應(yīng)用環(huán)境一般具有較強(qiáng)的腐蝕性和氧化性，而且在使用過程中溫差的變化較大，因此不適合采用補(bǔ)強(qiáng)圈方式補(bǔ)強(qiáng)。如果壓力容器受到較大荷載時(shí)，也不適合采用補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)?？刂蒲a(bǔ)強(qiáng)圈金屬間的焊接峰值應(yīng)力范圍極為重要，只有保證其被控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，才能夠?qū)ρa(bǔ)強(qiáng)效果進(jìn)行提升，在開孔補(bǔ)強(qiáng)操作進(jìn)行應(yīng)用之后，充分利用補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)可以提高設(shè)備的質(zhì)量。當(dāng)超出補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的范圍時(shí)，應(yīng)考慮采用整體補(bǔ)強(qiáng)。

2 壓力容器設(shè)計(jì)中厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)法的應(yīng)用

對(duì)壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，我們不能忽視開孔補(bǔ)強(qiáng)方法中的厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)法，但在實(shí)際應(yīng)用期間，對(duì)厚壁接管材料選擇有著較高的要求，并且對(duì)厚壁接管材料選擇造成影響的因素相對(duì)也比較多，比如壓力容器的運(yùn)行環(huán)境、殼體材料都有著極為密切的聯(lián)系。要想提高補(bǔ)強(qiáng)效果，就要采用相同的補(bǔ)強(qiáng)材料和壓力容器殼體，如果補(bǔ)強(qiáng)材料的應(yīng)力比殼體材料應(yīng)力低時(shí)，解決應(yīng)力不足的問題，就要適當(dāng)增加補(bǔ)強(qiáng)的面積。當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)的材料比殼體材料應(yīng)力高時(shí)，提高應(yīng)力的協(xié)調(diào)性，就要縮小補(bǔ)強(qiáng)的面積。在實(shí)際操作過程中我們不難發(fā)現(xiàn)，開孔操作在容器之中的應(yīng)用，會(huì)造成邊緣局部應(yīng)力出現(xiàn)持續(xù)上升的問題，結(jié)合局部應(yīng)力在分布方面的特點(diǎn)，需要保證相鄰開孔之間的間距滿足GB150-2011中規(guī)定的要求。

要對(duì)補(bǔ)強(qiáng)操作之中補(bǔ)強(qiáng)材料的性能進(jìn)行提高，就需要把應(yīng)力比較高的位置當(dāng)成是焊接補(bǔ)強(qiáng)過程中的關(guān)鍵，其所處的位置是在開孔的附近。針對(duì)補(bǔ)強(qiáng)面積進(jìn)行計(jì)算時(shí)只需要將有效補(bǔ)強(qiáng)范圍面積減掉便可以。對(duì)于厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用的過程中，如果發(fā)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)板比殼體接管材料材質(zhì)高，便會(huì)嚴(yán)重影響壓力容器所具有的使用性能，并且會(huì)與壓力容器實(shí)際運(yùn)行過程中功能的發(fā)揮受到嚴(yán)重的掣肘。出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象的主要原因在于接管材料中產(chǎn)生了較高的強(qiáng)度，增加了焊接工藝的難度，并且最終影響到了整個(gè)壓力容器所能夠達(dá)到的補(bǔ)強(qiáng)效果。

對(duì)接管材料選擇時(shí)會(huì)將殼體本身的材料設(shè)置成參照標(biāo)準(zhǔn)，這種情況之下如果接管材料強(qiáng)度低于殼體材料強(qiáng)度，要想對(duì)補(bǔ)強(qiáng)效果進(jìn)行提升，就需要增加接管壁的厚度，并且使接管中的流通面積能夠得到良好有效的控制，使焊接過程能夠具備更大的便利，最終使壓力容器補(bǔ)強(qiáng)的效果得以實(shí)現(xiàn)。

3 壓力容器設(shè)計(jì)中對(duì)于整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用

設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)能夠發(fā)揮的作用比較大，壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)采用補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的主要目的在于，利用金屬功能使開孔產(chǎn)生的強(qiáng)度得到降低，并且最終使殼體應(yīng)力產(chǎn)生較為理想的平衡狀態(tài)。這時(shí)，平衡殼體的應(yīng)力會(huì)使整體鍛件結(jié)構(gòu)出現(xiàn)下滑的問題。針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)所具有的重要意義也就展現(xiàn)了出來。需要我們特別注意的是，在應(yīng)用這個(gè)技術(shù)期間首先需要做的是對(duì)殼體和鍛件進(jìn)行磨合，整個(gè)磨合的過程相對(duì)比較復(fù)雜，要想提高磨合的效果，就必須減少局部的應(yīng)力，實(shí)際制造的過程中需要清晰的認(rèn)識(shí)到鍛件補(bǔ)強(qiáng)會(huì)使焊接的難度增加。基于這種情況，在一些特殊的壓力容器運(yùn)行環(huán)境中，便常常會(huì)對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行使用。

如果只選擇接管、封頭焊接位置以及接管的厚壁方向作為切入點(diǎn)，補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)力在整體鍛件之中數(shù)值最小，封頭上面的應(yīng)力集中比較多，從這個(gè)位置順著封頭壁厚方向在應(yīng)力強(qiáng)度的補(bǔ)強(qiáng)方式上不存在太大差異。我們很容易分析出應(yīng)用厚壁接管法常常會(huì)有一些強(qiáng)度比較低的應(yīng)力出現(xiàn)在接管頂端位置，其他位置所產(chǎn)生的應(yīng)力大都比較大。在內(nèi)伸管不斷增長的過程中強(qiáng)度也會(huì)出現(xiàn)不斷降低，如果內(nèi)伸長度大于一定長度，就會(huì)使接頭位置的應(yīng)力有明顯的降低，同時(shí)會(huì)在內(nèi)伸管之中產(chǎn)生較大的位移?；谶@種情況，我們也不難發(fā)現(xiàn)良，好的補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)會(huì)在整體鍛件內(nèi)伸的位置產(chǎn)生出來。相比于補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)而言，內(nèi)伸管補(bǔ)強(qiáng)所具有的應(yīng)力值變化更加明顯，而且產(chǎn)生的補(bǔ)強(qiáng)效果也比較理想。

4 針對(duì)于開孔補(bǔ)強(qiáng)的具體設(shè)計(jì)

（1）等面積補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的方法。在對(duì)壓力容器補(bǔ)強(qiáng)處理的過程中，一般都會(huì)對(duì)等面積補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)法進(jìn)行應(yīng)用，其主要是在一個(gè)有效的補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域之中保證補(bǔ)強(qiáng)材料的橫截面積大于開孔損失面積，這樣便可以維持容器殼體結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度的平衡性。我們可以將其理論模型當(dāng)成是一個(gè)不受面積限制的平板開孔，并且不會(huì)有過多彎曲出現(xiàn)而使偏差增大的問題發(fā)生。

（2）分析設(shè)計(jì)的方法。分析設(shè)計(jì)方法所指的主要是在GB150.3-2011之中所提及的新型補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方式，這種計(jì)算方式可以被具體劃分成兩種。第一種主要是核算和校對(duì)等效應(yīng)力的處理，隨后對(duì)于開孔位置的等效薄膜應(yīng)力強(qiáng)度S1和總應(yīng)力S2進(jìn)行計(jì)算，隨后科學(xué)的對(duì)其進(jìn)行評(píng)定和處理。第二種主要是對(duì)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法參照的主要是GB150.3-2011之中的設(shè)計(jì)規(guī)范，以此為基礎(chǔ)提出了一個(gè)最小設(shè)計(jì)的尺寸。

分析設(shè)計(jì)法之中的模型屬于將殼體和接管假設(shè)成一個(gè)整體性的結(jié)果，基于這種情況在對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用期間就需要保證焊接頭所具有的焊透性和質(zhì)量。這種方法主要是以彈性分析和塑形極限作為基礎(chǔ)提出的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，從最大程度上保證所具有的塑性比較充分且反復(fù)加載力足夠，進(jìn)而從最大程度上為開孔操作過程中的安全性提供充分的保障。在對(duì)分析設(shè)計(jì)方法進(jìn)行應(yīng)用期間最好不要使用疲勞和外壓設(shè)計(jì)，應(yīng)用范圍主要是針對(duì)圓柱的徑向進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)，而且針對(duì)殼體壁厚和接管之間的比值也會(huì)有具體的要求，保證后者與前者之間的比值被控制在0.5～2.0內(nèi)。

5 結(jié)語

開孔補(bǔ)強(qiáng)方法對(duì)壓力容器進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中所起到的作用十分關(guān)鍵，為了從最大程度上避免由于開孔處理使整個(gè)容器殼體強(qiáng)度受到的影響過大，以及所產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中過大的問題，就需要特別關(guān)注開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)，使壓力容器在實(shí)際應(yīng)用的過程中能夠規(guī)避安全隱患。通過應(yīng)用多種類型的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方案，并且具體分析和研究合理的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法，使容器能夠最大程度上規(guī)避不必要損害出現(xiàn)的可能性，并且最終使容器的使用性能、使用壽命以及整體質(zhì)量得到全面有效的保障。本文所選擇的切入點(diǎn)為整體鍛件的補(bǔ)強(qiáng)、對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)以及對(duì)于厚壁接管的補(bǔ)強(qiáng)三個(gè)方面，并且對(duì)開孔補(bǔ)強(qiáng)具體設(shè)計(jì)進(jìn)行了一定的闡述，更好地推動(dòng)我國化工領(lǐng)域的良好穩(wěn)定發(fā)展。