壓力容器的選材及開孔補強

李亞瑋

(阜陽安固鍋爐壓力容器制造有限公司 安徽 阜陽 236000)

在壓力容器的設(shè)計過程中，我們首先要考慮的問題就是選材。只要選定了材料，我們才能進行設(shè)備的強度計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計。材料選擇的合適與否在很大程度上決定了設(shè)備的成本和使用壽命。為了滿足工藝、制造、設(shè)備的定期檢驗及維修等方面的需求，壓力容器殼體上通常會進行多個開孔操作。這就導(dǎo)致了開孔部位設(shè)備材料的不連續(xù)性，從而在開孔部位產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力。因此，我們在進行開孔設(shè)計時應(yīng)選擇合適的補強結(jié)構(gòu)，降低開孔處的局部應(yīng)力，保證設(shè)備在開孔處具有較好的質(zhì)量。

一、壓力容器的合理選材

壓力容器用鋼的基本要求是有較高的強度，良好的塑性、韌性、制造性能和與介質(zhì)相容性。材料選擇主要由使用條件決定，使用條件包括設(shè)計溫度、設(shè)計壓力、介質(zhì)特性和操作特點。在相同的設(shè)計條件下，提高材料強度，可以增大許用應(yīng)力，減薄設(shè)備主要受壓元件厚度，減輕重量，簡化制造、安裝和運輸，從而降低成本，提高綜合經(jīng)濟性。對于大型壓力容器設(shè)備，采用高強度材料的效果尤為顯著。但是，在追求強度的同時也要保證材料具有足夠的韌性。由于原材料和制造等方面的原因，壓力容器用鋼常帶有各種各樣的缺陷，如裂紋、氣孔和夾渣等。研究表明，并不是所有缺陷都會危及壓力容器的安全運行，只要當(dāng)缺陷尺寸達到某一臨界尺寸時，才會發(fā)生快速擴展而導(dǎo)致設(shè)備破壞。臨界尺寸與材料韌性密切相關(guān)，它隨著材料韌性的提高而增大。材料韌性越好，臨界尺寸越大，設(shè)備對缺陷就越不敏感；反之，在壓力作用下，很小的缺陷就有可能快速擴展而導(dǎo)致設(shè)備破壞。因此，材料韌性也是壓力容器選材的一個重要指標(biāo)。材料強度越高，韌性越差。在選擇材料時，應(yīng)特別注意材料強度和韌性的合理匹配，避免設(shè)備在使用過程中因材料韌性不足而發(fā)生破壞。除材料強度外，溫度也是影響材料韌性的一個重要因素。低溫工況下，碳素鋼和低合金鋼的韌性會隨著溫度的降低而降低，當(dāng)溫度低于韌脆性轉(zhuǎn)變溫度時，材料會發(fā)生脆性斷裂，從而導(dǎo)致設(shè)備破壞。所以，在低溫工況下，我們就不能采用一般的Q345R低合金鋼板，而是采用16MnDR和09MnNiDR等低溫專用鋼板，并對母材和焊縫進行設(shè)計溫度下的沖擊試驗，來驗證材料是否有足夠的低溫韌性。相反，設(shè)計溫度高于400℃(特別是高于475℃)至600℃的壓力容器，通常選用15CrMoR等中溫抗氫鋼板，保證材料有較高的許用應(yīng)力和抗氫能力。不銹鋼在低溫、高溫條件下都具有較高的強度和韌性。但是，由于不銹鋼的許用應(yīng)力較低，相同設(shè)計條件下，設(shè)備厚度會相對增加，從而導(dǎo)致設(shè)備重量增加；另外，不銹鋼的價格遠遠高于碳鋼，從而導(dǎo)致設(shè)備成本較高。同時我們也要考慮材料和介質(zhì)的相容性。例如，奧氏體不銹鋼雖具有很好的耐腐蝕性能，但是在氯化物溶液中，很容易產(chǎn)生晶間腐蝕，從而導(dǎo)致設(shè)備破壞。當(dāng)設(shè)備壓力較高，對耐腐蝕性能要求又高時，我們通常采用復(fù)合鋼板。從而達到既能提高材料的許用應(yīng)力和腐蝕性能，又能降低設(shè)備成本的效果。但是復(fù)合板設(shè)備的加工相對一般設(shè)備要麻煩的多，特別是焊接方面。綜上所述，在進行壓力容器選材時，我們應(yīng)綜合考慮容器的使用條件、材料和介質(zhì)的相容性、加工性能、材料性能、材料使用經(jīng)驗和綜合經(jīng)濟性，并嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，合理選材。

二、壓力容器的開孔補強

在設(shè)備的強度計算過程中，我們一般會根據(jù)設(shè)備的設(shè)計參數(shù)計算出殼體所需要的最小厚度，并結(jié)合設(shè)備剛性的需要，指定設(shè)備殼體的厚度。在保證設(shè)備主體強度的前提下，結(jié)合開孔的大小、數(shù)量、位置以及開孔間距，選擇出適當(dāng)?shù)拈_孔補強計算方法和補強結(jié)構(gòu)。對于一般壓力和溫度不高、腐蝕余量較小，筒體直徑不大，且開孔直徑較小的設(shè)備，我們只需按照GB/T150.3-2011中6.1.3的規(guī)定，選擇相應(yīng)厚度的接管即可免除開孔補強計算。相反，當(dāng)設(shè)備無法按照GB/T150.3-2011中6.1.3免除開孔補強計算時，我們就要對設(shè)備的開孔補強進行設(shè)計。目前我們常用的補強方法有整體補強和局部補強兩種。顧名思義，整體補強就是通過增加設(shè)備殼體厚度的方法，來增大接管有效補強范圍內(nèi)殼體多余的補強面積，從而實現(xiàn)補強的一種方法。這種方法會使設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡單、受力較好，對于一般直徑較小、壓力不高的設(shè)備比較實用。但是隨著設(shè)計壓力的提高，設(shè)備直徑的增大，這種補強方法的弊端就顯現(xiàn)出來。一方面，它會大大增加設(shè)備的材料成本，特別是不銹鋼設(shè)備；另一方面，隨著殼體厚度的增加，設(shè)備的加工性能和焊接性能相應(yīng)降低。這時我們就應(yīng)該考慮采用局部補強。局部補強主要使用補強圈、厚壁接管和整體鍛件三種補強方式，如下圖所示：

(一)補強圈補強

補強圈材料應(yīng)與殼體材料相同或相近。這種方法取材方便、成本較低，且具有豐富的使用經(jīng)驗，因此使用最多。但是補強圈與殼體之間存在一層靜止氣隙，給壓力容器的整體傳熱效果造成嚴(yán)重影響，甚至?xí)谘a強圈與殼體之間形成溫差和熱膨脹差，最終導(dǎo)致溫差應(yīng)力出現(xiàn)而嚴(yán)重影響壓力容器開孔補強設(shè)計的實際效果。這種補強結(jié)構(gòu)一般用于中低壓容器中，對于高壓、低溫、極度高度危害以及強滲透性介質(zhì)的場合杜絕使用。負(fù)壓工況時，有時會出現(xiàn)內(nèi)漏現(xiàn)象，難以發(fā)現(xiàn)，因此，當(dāng)設(shè)備承受外壓時，應(yīng)盡量避免使用這種補強結(jié)構(gòu)。

(二)厚壁接管補強

該方法主要通過增加有效補強范圍內(nèi)的接管多余金屬面積來實現(xiàn)補強。一般情況下可以使用無縫鋼管，當(dāng)無縫鋼管厚度受限無法滿足需求時，可以使用鍛管。采用鍛管時，我們應(yīng)精確計算鍛管的有效補強長度，確保鍛管補強段的實際外伸長度和內(nèi)伸長度滿足有效補強長度的需要。這種補強結(jié)構(gòu)一般用于低溫、高壓和介質(zhì)毒性程度為極度、高度危害場合。

(三)整體鍛件補強

該補強結(jié)構(gòu)將角焊縫轉(zhuǎn)變成對接縫，避免了開孔處的結(jié)構(gòu)突變，有效的降低了集中應(yīng)力，且具有良好的焊接性能。但是整體鍛件的成本較高，一般僅在整體補強受限和較大開孔場合使用。

綜上所述，在壓力容器設(shè)計過程中，選材和開孔補強設(shè)計是非常重要的兩個環(huán)節(jié)。設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)實際需求，有針對性的選擇最佳材料和補強形式。實現(xiàn)壓力容器設(shè)備設(shè)計的安全性、合理性及經(jīng)濟性。