壓力容器設(shè)計中開孔補強設(shè)計探析

張皓斌

（華陸工程科技有限責任公司 西安 710065）

1 引言

在壓力容器設(shè)計過程中，通常都會在壓力容器壁上開孔，來為后續(xù)的安裝和維修提供幫助。但是，不管是在壓力容器的哪一個部分進行開孔，都會直接影響壓力容器的性能，因為開孔后就會破壞壓力容器自身的結(jié)構(gòu)。此外，還因為壓力容器所應(yīng)用的環(huán)境大多較為復(fù)雜，所以為了能夠減少開孔對于壓力容器的影響，就需要合理應(yīng)用開孔補強技術(shù)。

2 壓力容器設(shè)計中開孔補強設(shè)計

2.1 設(shè)計內(nèi)容

對于開孔補強技術(shù)而言，就是為了能夠解決壓力容器開孔所帶來的問題，通過開孔補強能夠很好地提升壓力容器的性能。利用開孔補強技術(shù)對開孔的位置進行處理，就能夠集中應(yīng)力，并且減少承載能力，進而就能夠削弱開孔邊緣的強度，讓開孔位置的應(yīng)力能在合理范圍內(nèi)[1]。根據(jù)實際開孔補強設(shè)計對壓力容器的影響，就需要在應(yīng)用過程中，明確各部分的具體數(shù)據(jù)，嚴格按照要求來進行操作。只有這樣，才能夠更好地保證壓力容器的質(zhì)量。通常情況下，大型壓力容器裝置本身是固定在建筑結(jié)構(gòu)中或是和工業(yè)建筑有一定關(guān)聯(lián)的，以確保壓力容器的穩(wěn)定性和安全性。因此，在部分大型壓力容器的開孔補強設(shè)計中，需要結(jié)合對工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)特點，對現(xiàn)有關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)進行分析，對建筑結(jié)構(gòu)、輔助性固定裝置進行優(yōu)化。

2.2 設(shè)計方法

1）等面積補強。這種方法是在利用開孔補強技術(shù)過程中，通過在壓力容器表面的一個有效區(qū)域增加補強材料的橫截面積，并且保證橫截面積要大于開孔損失面積，這樣就能夠更好地確保壓力容器內(nèi)外結(jié)構(gòu)的平衡[2]。

2）分析設(shè)計法。這種方法是當前的一種新型開孔補強技術(shù)。在應(yīng)用過程中，要能夠提升焊接強度和質(zhì)量，按照塑性極限的原理，來一次性的給予足夠的承載力，并且通過反復(fù)加載的方法來保證讓壓力容器的開孔安全。這種方法在對數(shù)據(jù)計算過程中，會分為兩種形式。首先，是對等效應(yīng)，通過計算出開孔處的等效薄膜應(yīng)力，進而來對其進行處理。其次，是補強結(jié)構(gòu)設(shè)計。這是按照以往的設(shè)計要求來進行設(shè)計，會將壓力容器和接管看作為一個整體，通過這樣的結(jié)果來了解焊接頭的質(zhì)量和性能，并且作為最終操作的具體數(shù)據(jù)。

3）不另行補強[3]。在應(yīng)用這種方法過程中，需要嚴格控制壓力，要保證整個壓力容器的壓力在2.5 MPa。在于開孔中心位置不小于兩個直徑的地位進行處理，如果是開孔數(shù)量在3個以上，那么就應(yīng)該確保不管是哪兩個開孔煤氣距離都需要小于開孔直徑的2.5 倍。

3 壓力容器設(shè)計中開孔補強設(shè)計的重要性

在設(shè)計壓力容器過程中，經(jīng)常會對壓力容器進行開孔處理，進而為后續(xù)的連接和安裝提供幫助，讓壓力容器能夠滿足不同的使用需求。而在應(yīng)用壓力容器的一段時間后，就需要對其進行保養(yǎng)，這樣就需要通過開孔來達到目的。所以，這也能夠看出，開孔是壓力容器中不可缺少的處理內(nèi)容，能夠讓壓力容器的使用更加靈活。但是，在開孔過程中，會對壓力容器自身造成一定的破壞，在開孔后會直接影響壓力容器自身的抗壓性能[4]。這是因為在開孔后，壓力容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，特別是在安裝接管后，壓力容器的內(nèi)部和外部受力不能夠保持均勻，這樣就直接影響壓力容器的正常使用。而在壓力容器的改造過程中，意味著建筑結(jié)構(gòu)的受力關(guān)系可能發(fā)生變化，而通過有效的開孔補強設(shè)計及工業(yè)建筑改造，有助于在強化壓力容器可靠性的基礎(chǔ)上，保證整個工業(yè)建筑、工業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 壓力容器設(shè)計中開孔補強設(shè)計的具體應(yīng)用

開孔補強就是通過對開孔處增加強度的方法，以此來更好地提升壓力容器開孔處的強度，保證在壓力容器被開孔后，自身依然完整，從當前的實際應(yīng)用上來看，開孔補強技術(shù)主要有3 個方面。

4.1 補強圈補強技術(shù)應(yīng)用

補強圈補強技術(shù)，就是在設(shè)計壓力容器過程中，能夠明確開孔具體位置，然后，在開孔周圍焊接鋼板的方法，以此來實現(xiàn)補強，在這其中所焊接的鋼板就被稱之為是補強圈。并且，在當前科學(xué)技術(shù)的影響下，在應(yīng)用補強圈補強技術(shù)過程中，會有兩種模式。那么就應(yīng)該根據(jù)實際情況來選擇相應(yīng)的補強圈，保證與壓力容器壁材料相同的基礎(chǔ)上，使用正確的開孔補強技術(shù)，掌握好補強圈的具體面積和尺寸。如果在這其中沒有明確補強圈的具體面積，就可以從壓力容器開孔的實際情況出發(fā)，來依照補強原則來計算補強圈的具體面積，以此來讓補強圈補強設(shè)計工作能夠更加順利地開展。在應(yīng)用開孔補強技術(shù)過程中，如果是利用補強圈這種方法，那如果其補強圈的厚度超過8 mm，那么在進行補強過程中就應(yīng)該保證全部焊透，確保補強圈和容器壁的受力均勻。與此同時，在利用補強圈來對其補強過程中，還應(yīng)該能夠明確補強圈的內(nèi)外位置，保證所選擇焊接位置合理，進而來不斷提升補強質(zhì)量。在正常情況下，如果是利用補強圈補強設(shè)計方法，大多都是將補強圈焊接在壓力容器的外壁，通過單面補強的方法來達到目標，以此來更好地發(fā)揮補強價值，進而來保證壓力容器的設(shè)計合理。

補強圈的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，而且應(yīng)用廣泛，所以在當前也受到廣泛的關(guān)注。但是，在完成補強后，會使得補強圈和壓力容器外壁之間存在氣隙，這樣就會影響壓力容器的傳熱效果，甚至還會導(dǎo)致壓力容器出現(xiàn)內(nèi)部溫差，如果溫差過大就會直接影響壓力容器開孔補強的效果，在應(yīng)用過程中也容易出現(xiàn)問題。在焊接補強圈和壓力容器外壁的時候，如果其內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力存在問題，不能夠保證受力均勻的基礎(chǔ)上，就非常容易出現(xiàn)變形問題，進而就影響壓力容器的整體疲勞，導(dǎo)致壓力容器運行安全系統(tǒng)有所降低。

4.2 整體鍛件補強設(shè)計應(yīng)用

通過將其對比就能夠了解到，整體鍛件補強和補強圈存在著不同，補強圈主要是對特定位置來進行處理，而整體鍛件則是通過降低壓力容器自身強度的方法，來避免應(yīng)力集中。所以，這種方法的補強效果要好于補強圈。根據(jù)相關(guān)研究就能夠發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計壓力容器開孔補強技術(shù)過程中，整體鍛件的要求更高，特別是在二者過渡之間，如果沒有合理地進行補強，那么就會嚴重地影響最終的補強效果，甚至直接影響壓力容器的正常使用。因此，在利用這種補強技術(shù)過程中，就應(yīng)該先保證壓力容器補強的合理，提高壓力容器的開孔可靠性，保證整體鍛件的補強設(shè)計都能夠在合理范圍內(nèi)，更好地發(fā)揮整體鍛件的作用，保證壓力容器的質(zhì)量。但是，需要注意的就是整體鍛件補強方法，很容易受到外界因素的影響，在對壓力容器外壁進行補強的時候，容易導(dǎo)致壓力容器外壁不平穩(wěn)。雖然，這種補強設(shè)計方法具有很好的補強效果，但是，因為會受到外界因素的影響。所以，在應(yīng)用上有著較大的難度，而且所需要投入的成本也比較高，一些單位并不會利用這種方法。

4.3 厚壁接管補強技術(shù)

這種補強技術(shù)在應(yīng)用過程中，需要選擇正確的后壁接管材料，一般情況下會根據(jù)壓力容器的材料情況來進行選擇，所明確的材料強度應(yīng)該能夠和母體相同，確保其范圍不能夠過高，也不能夠過低。因為如果過高，那么就會影響最終焊接質(zhì)量，而如果過低的話，就會導(dǎo)致接管流通面積受到影響，這樣就使得最終在焊接完成后，其壓力有所下降，影響后續(xù)的使用。可以在這其中利用無縫鋼管的方法來更好地避免這一問題。在發(fā)現(xiàn)壓力容器壓力較高的時候，那么就可以利用整體鍛件補強方法，如果是壓力較低，那么就可以利用后壁接管補強方法。

5 結(jié)語

總而言之，在壓力容器設(shè)計過程中，開孔補強設(shè)計是其中的重要內(nèi)容，最終的設(shè)計效果就影響壓力容器的正常使用。所以，在進行開孔補強設(shè)計過程中，就應(yīng)先了解壓力容器的情況，并且使用正確的開孔補強方法，進而避免因為應(yīng)力集中而導(dǎo)致壓力容器的外壁受到損壞。通過對不同開孔補強方法的應(yīng)用，就能夠更好地提升壓力容器的設(shè)計質(zhì)量，發(fā)揮開孔補強最大的性能，為后續(xù)壓力容器的檢修提供幫助，也能夠確保生產(chǎn)的順利進行。