淺談壓力容器設(shè)計中開孔補強設(shè)計的應(yīng)用

趙金龍

摘要：設(shè)備開孔是壓力容器設(shè)計及制造過程中一個重要環(huán)節(jié)，它有助于擴展壓力容器的功能性，同時也為開孔設(shè)備的維護(hù)工作提供便利。然而不正確的開孔設(shè)計，很容易導(dǎo)致設(shè)備整體結(jié)構(gòu)受力情況發(fā)生轉(zhuǎn)變，使設(shè)備在運行中存在較大的安全隱患，所以改善開孔補強設(shè)計水平，消除安全隱患非常必要。

關(guān)鍵詞：壓力容器;開孔補強設(shè)計;應(yīng)用

一、開孔補強設(shè)計

壓力容器在開孔作業(yè)后，其自身受壓的平衡性、受壓面積以及開孔邊緣的應(yīng)力效應(yīng)都會存在一定程度上的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致壓力容器強度降低，無法達(dá)到使用要求。所以在壓力容器設(shè)計中，需要通過合理的開孔補強措施來保證壓力的平衡性。我國對于壓力容器開孔作業(yè)制定了一系列的規(guī)范要求，并對錐殼、圓筒以及凸形封頭的開孔直徑做出明確規(guī)定，以增強容器強度。

二、開孔補強的限制條件和設(shè)計方法

1、限制條件

在壓力容器開孔作業(yè)中，對于開孔直徑、形狀均有著明確的限制：

1）在圓筒開孔作業(yè)時，如果圓筒的內(nèi)徑在1500mm以下，那么其開孔直徑不得大于0.5D與520mm中的較小值;如果圓筒的內(nèi)徑尺寸大于1500mm，則開孔直徑不得大于0.33D與1000mm中的較小值。

2）球狀外殼的開孔直徑不得超過0.5D。

3）錐形封頭的開孔直徑要在0.33D以內(nèi)。

4）橢圓形、長圓形以及圓形結(jié)構(gòu)在進(jìn)行開孔作業(yè)時，其長短軸的比例需控制在2.0以內(nèi)。

2、設(shè)計方法

開孔補強的設(shè)計方法主要分為兩種，局部補強和整體補強。

1）局部補強

局部補強具有一定的針對性，是在固定位置上實施開孔作業(yè)，且補強的面積相對較小。該種設(shè)計方式主要針對的是鋼材屈服強度不超過540MPa、補強厚度在殼厚度的1.5倍以下、容器殼厚度在38mm以內(nèi)的材料。其優(yōu)勢為成本低廉，操作便捷，補強時間短，適用范圍較廣。不過在使用局部補強時，需要注意的內(nèi)容有：開孔補強位置在焊縫最大應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，補強作業(yè)前需要對焊縫進(jìn)行磨平處理和無損檢測;在開孔作業(yè)時很容易存在誤差，導(dǎo)致補強件與結(jié)構(gòu)表面的融合效率較差，很容易因為溫差變化導(dǎo)致位置出現(xiàn)裂縫，影響容器質(zhì)量。

2）整體補強

整體補強通常被應(yīng)用在開孔較大的容器中，補強面積相對較大，但操作卻較為簡單。另外，在采用整體補強時，對其技術(shù)要求相對較高，尤其是對過渡區(qū)域?qū)嵭姓w補強時，一定要注重其平穩(wěn)性，避免應(yīng)力集中在一側(cè)。整體補強設(shè)計主要適用于壓力高于4MPa、溫度350℃以上，且承載高危害性物品、疲勞載荷較大的壓力容器上。其優(yōu)勢在于：補強件位于開孔應(yīng)力較大的位置上，能夠提升容器的抗疲勞性能;其次，使用對接焊縫，提高了焊接質(zhì)量。不過在使用整體補強時，需要的補強件尺寸相對較大，這在一定程度上增加了制造和檢驗難度，造成了較大的成本損耗。

三、壓力容器設(shè)計中開孔補強設(shè)計的應(yīng)用

1、補強圈設(shè)計的應(yīng)用

補強圈補強方式的應(yīng)用主要是為了強化局部補強作業(yè)的效果。在實際應(yīng)用中，要先將補強板焊接在容器壁上，充分利用容器壁的金屬厚度實現(xiàn)強度的提升。而在補強圈焊接時，應(yīng)在外部實施作業(yè)，這樣既可以降低施工難度，也可以增強壓力容器的抗壓能力和耐久性。在應(yīng)用補強圈設(shè)計時，需要注意的內(nèi)容主要有：

首先，嚴(yán)格控制補強板厚度。在補強板選擇及其厚度確定上，設(shè)計人員需要嚴(yán)格按照容器規(guī)格、開孔要求以及補強特點予以確定。通常情況，補強板厚度應(yīng)控制在容器開孔厚度的1.5倍左右，如果超出這一范圍，很容易在焊接施工中產(chǎn)生不必要的間接應(yīng)力，破壞連接效果。在補強板材料的選擇上，一方面要對其延展性和可塑性予以充分考慮，另一方面還需對其強度實行把控，保證其低于400MPa。其次，結(jié)合補強圈的使用范圍合理選擇補強圈技術(shù)。補強圈不適合應(yīng)用在高氧化性和腐蝕性的壓力容器中;不適用于溫差較大的壓力容器中;不適用于承受較大荷載的壓力容器中。所以在設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合壓力容器所處環(huán)境，合理選擇補強方式。在應(yīng)用補強圈的過程中，應(yīng)合理把控焊接開孔峰值應(yīng)力，確保其在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。在對低合金高強度鋼容器進(jìn)行開孔補強操作時，主要以局部補強方式為主，當(dāng)局部補強達(dá)不到既定要求后，才可更換成整體補強完成作業(yè)。

2、厚壁接管補強技術(shù)的應(yīng)用

該技術(shù)在使用過程中對于厚壁接管材料的要求相對較高，且影響因素眾多，如壓力容器運行環(huán)境、殼體材料性能等，很容易導(dǎo)致厚壁接管材料出現(xiàn)質(zhì)量問題。所以在實際設(shè)計中，必須要對壓力容器的運行環(huán)境以及殼體材料性能進(jìn)行準(zhǔn)確掌握，并結(jié)合其具體要求選擇合適的補強材料。另外，在開孔補強環(huán)節(jié)，如果殼體材料應(yīng)力高于補強材料，則可以通過增加補強面積的方式來強化應(yīng)力效果;如果殼體材料應(yīng)力小于補強材料，則需要縮小補強面積，加強應(yīng)力的平衡性。在實際操作中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將開孔處理應(yīng)用于容器中時，邊緣的局部應(yīng)力會出現(xiàn)持續(xù)上升的現(xiàn)象，此時，就因根據(jù)局部應(yīng)力分布特點，在遠(yuǎn)離開孔邊緣的位置實施補強操作。

為了充分發(fā)揮補強材料的性能，提高補強質(zhì)量，可以將焊接位置設(shè)置在開孔高應(yīng)力范圍內(nèi)。而補強應(yīng)力的計算只需要將補強面積剔除即可。在使用厚壁接管補強技術(shù)時，補強板材質(zhì)高于殼體接管材料材質(zhì)，會在一定程度上增大焊接作業(yè)的難度，導(dǎo)致壓力容器性能受損，進(jìn)而影響壓力容器使用過程中功效的發(fā)揮。在選擇接管材料時，應(yīng)以殼體本身材料性質(zhì)作為參照標(biāo)準(zhǔn)，如果發(fā)現(xiàn)殼體材料強度在接管材料之上，則可以通過增加接管厚度的方式來實現(xiàn)流通面積的有效控制，提升焊接作業(yè)的效率，進(jìn)而保證壓力容器的安全使用。另外，鍛件加工和無縫接管可以應(yīng)用于厚壁接管補強中，從而減少誤差的發(fā)生，此時如果設(shè)計壓力較小，且補強過程中對壁厚的要求較低，則可以增加對無縫鋼管的應(yīng)用。

3、整體鍛件補強設(shè)計的應(yīng)用

整體鍛件補強技術(shù)是壓力容器設(shè)計中較為重要的技術(shù)類型。在壓力容器開孔操作中，很容易導(dǎo)致壓力容器強度下降，平衡性失衡，這時平衡殼體的應(yīng)力會使得邊緣整體鍛件出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，降低壓力容器的運行安全性。但是采用整體鍛件補強技術(shù)后，能夠有效避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，保證壓力容器的強度和應(yīng)力的平衡性。值得注意的是，在應(yīng)用該技術(shù)過程中，必須先磨合殼體和鍛件，磨合過程相對復(fù)雜，要想提升磨合效果并減少局部應(yīng)力，在應(yīng)用鍛件補強的過程中，焊接難度就會有所增加。因此，整體鍛件補強技術(shù)的設(shè)計方式一般被應(yīng)用在特殊壓力容器運行環(huán)境中。

從接管、封頭焊接位置以及接管壁厚的角度進(jìn)行分析，其最低的補強應(yīng)力均存在整體鍛件中，尤其是靠近封頭位置上，存在著較為嚴(yán)重的集中應(yīng)力情況。如果只是沿著封頭壁厚的方向開展補強作業(yè)，是無法有效強化補強效果，增大壓力容器強度的。由此可以分析出，在采用厚壁接管法的過程中，較低強度的產(chǎn)生位置主要集中在接管頂端位置上，該位置存在著較大的應(yīng)力值，所以在補強作業(yè)時，可以采用內(nèi)伸管的方式增強應(yīng)力平衡性。內(nèi)伸管的結(jié)構(gòu)形式將有利于接管頂部應(yīng)力的減小，在有效補強范圍內(nèi)，內(nèi)伸管與接頭處的應(yīng)力強度成正相關(guān)，內(nèi)伸管長度變長，接頭處的應(yīng)力強度會變小。與補強圈補強技術(shù)相比，內(nèi)伸管補強技術(shù)在應(yīng)用過程中更容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力值變化，從而強化補強效果。

結(jié)束語

綜上所述，本文主要針對壓力容器設(shè)計中開孔補強設(shè)計的應(yīng)用問題進(jìn)行了簡單論述，通過上文論述可以看出，開孔補強設(shè)計的應(yīng)用是影響壓力容器設(shè)計成效的主要原因，所以在實際應(yīng)用中，需根據(jù)具體的補強要求以及壓力容器的使用環(huán)境，采取合理的補強方法，以此減少開孔設(shè)計對壓力容器造成的不利影響，確保壓力容器的正常運作。

參考文獻(xiàn)

[1]張連利.開孔補強設(shè)計在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用探析[J].化工設(shè)計通訊.2017（11）.

[2]王洪革.開孔補強設(shè)計在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用探析[J].內(nèi)燃機與配件.2017（05）.

[3]韓明軒，劉絲嘉.壓力容器設(shè)計的開孔補強設(shè)計應(yīng)用[J].化工管理.2018（11）.