開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用探析

王春霞 楊麗霞

[ 作者簡介 ]

王春霞，女，山東禹城人，山東宏達(dá)科技集團(tuán)有限公司，助理工程師，本科，研究方向：壓力容器、換熱器設(shè)計與制造。

楊麗霞，女，山東煙臺人，山東宏達(dá)科技集團(tuán)有限公司，中級工程師，本科，研究方向：壓力容器、換熱器設(shè)計與制造。

[ 摘要 ]

壓力容器能夠承受壓力的大小直接決定著有毒或者易燃?xì)怏w、液體存放的安全性。當(dāng)壓力容器能夠承受足夠強(qiáng)度的壓力時，這些壓力容器內(nèi)的物質(zhì)存儲就有足夠的安全性；反之，如果壓力容器承受壓力的能力不足，那么當(dāng)外界環(huán)境壓力改變時，壓力容器內(nèi)外壓力差過大，壓力容器可能發(fā)生破損，內(nèi)部有毒物質(zhì)的存儲安全性就不能得到保證，甚至?xí)?dǎo)致有毒物質(zhì)的擴(kuò)散。開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計，主要是為了降低壓力容器內(nèi)的壓力，通過在壓力容器上面開孔，使壓力容器內(nèi)外壓力差減小，保證內(nèi)部氣體、液體的存儲安全性。本文主要從開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的含義及其在壓力容器中的應(yīng)用現(xiàn)狀來探究分析開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用。

[ 關(guān)鍵詞 ]

開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計；壓力容器；應(yīng)用

中圖分類號：TB47

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2022.15.058

如今化工領(lǐng)域的快速發(fā)展主要得益于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展?；瘜W(xué)制品的提煉制作越來越容易，純度也越來越高，制成的化學(xué)制品質(zhì)量成分越來越穩(wěn)定，并逐步用于其他領(lǐng)域，如國防、航天，接下來也將更多地應(yīng)用到群眾的日常生活中。但與此同時，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步也帶來了許多不可控的因素及危險性。例如，有了毒性更加強(qiáng)、更加容易燃燒的液體和氣體，這些物質(zhì)如果能夠合理應(yīng)用則會有益于人類化工科技的發(fā)展和進(jìn)步，但是一旦發(fā)生了泄露，后果則不堪設(shè)想。所以，對這些有毒、易燃的氣體液體的存放就會有著更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，必須將其放在一個非常穩(wěn)定、牢固、安全的容器中，這樣既能夠保證這些物質(zhì)的存放安全，同時也能夠方便存取。開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計是壓力容器生產(chǎn)過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，在壓力容器壁上進(jìn)行開孔，一是為了后期安裝接管方便，二是為了后期維護(hù)保養(yǎng)方便。但無論在任何地方進(jìn)行開孔，都會對壓力容器的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成負(fù)面影響，因為開孔設(shè)計會破壞壓力容器本身的整體性，容易導(dǎo)致壓力容器抗壓性能變差。壓力容器一般的存放環(huán)境都比較惡劣，通常都是高溫、高壓環(huán)境，開孔設(shè)計會導(dǎo)致壓力容器各項性能指標(biāo)降低，出現(xiàn)不同程度的損壞，影響壓力容器的正常使用。這個環(huán)節(jié)現(xiàn)如今得到了人們較大的重視，通過對壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行合理科學(xué)的設(shè)計和應(yīng)用，可以有效降低由于斷層差異作用導(dǎo)致的壓力容器性能下降。開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計做好了，壓力容器承受壓力的能力就會得到提高，用這些壓力容器來存儲有毒易燃的氣體和液體也將會更加安全，既能為人類科技文明的進(jìn)度貢獻(xiàn)力量，也能夠有效保障人民的生命財產(chǎn)安全。

1 開孔補(bǔ)強(qiáng)的含義

開孔補(bǔ)強(qiáng)一般作為壓力容器設(shè)計的必要步驟，在壓力容器上面開孔的主要目的是滿足壓力容器與其他容器相互連接的問題，而且對壓力容器的維修養(yǎng)護(hù)也需要在壓力容器上面開孔。在壓力容器上開孔后，容器所承受的壓力將會發(fā)生不小的變化，孔洞周圍的壓力變化最為明顯，可能因為承受的壓力過大出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，就會導(dǎo)致其中存放的有毒易燃?xì)怏w、液體發(fā)生嚴(yán)重泄露，威脅化學(xué)實驗的安全。一般來說，化學(xué)領(lǐng)域的工作環(huán)境可能比較惡劣，如果開孔處沒有進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，那么在這樣有毒、有腐蝕性的惡劣環(huán)境將會對開孔處造成更加嚴(yán)重的腐蝕，而一旦開口處被腐蝕，那么整個壓力容器的密閉性幾乎將徹底喪失，將直接影響有毒易燃?xì)怏w液體的壓力容器存放安全性，會導(dǎo)致嚴(yán)重的化學(xué)實驗泄漏事故。因此，開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計是壓力容器設(shè)計十分重要的一個環(huán)節(jié)，將直接影響壓力容器的穩(wěn)定性和安全性。

在開孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的具體操作中，可以根據(jù)開孔補(bǔ)強(qiáng)的位置、數(shù)量以及其他的各種因素將補(bǔ)強(qiáng)類型分為整體補(bǔ)強(qiáng)和局部補(bǔ)強(qiáng)。

1.1 整體補(bǔ)強(qiáng)

整體補(bǔ)強(qiáng)通俗來講是一種大面積的補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，一般采用整體補(bǔ)強(qiáng)是因為壓力容器開孔較多，整體的強(qiáng)度不足，或者不方便運用局部補(bǔ)強(qiáng)的方式，需要對整個壓力容器進(jìn)行全面補(bǔ)強(qiáng)。整體補(bǔ)強(qiáng)的優(yōu)勢在于：一是操作簡單，整體補(bǔ)強(qiáng)不需要考慮容器整體的區(qū)域強(qiáng)度會有所不同，只需要對整個容器進(jìn)行全方位的補(bǔ)強(qiáng)就可以，省去了對壓力容器各區(qū)域性質(zhì)的分析步驟；二是補(bǔ)強(qiáng)位置全面，由于是對整個壓力容器進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，所以不會存在補(bǔ)強(qiáng)后某一區(qū)域強(qiáng)度不足的情況，而且整體補(bǔ)強(qiáng)也能對強(qiáng)度足夠的區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的加固；三是能夠提升開孔補(bǔ)強(qiáng)的工作效率，一旦出現(xiàn)壓力容器開孔較多的現(xiàn)象，那么對局部進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)將會相對麻煩而且工作效率低，針對多孔的壓力容器，對壓力容器進(jìn)行整體補(bǔ)強(qiáng)能夠有效提升開孔補(bǔ)強(qiáng)的工作效率。

1.2 局部補(bǔ)強(qiáng)

局部補(bǔ)強(qiáng)相對于整體補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)來說，主要是運用更加有針對性的補(bǔ)強(qiáng)方法對壓力容器上的開孔壓力強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)充。局部補(bǔ)強(qiáng)的應(yīng)用范圍相對整體補(bǔ)強(qiáng)來說會更加廣泛，一般來說，除非有特殊的情況，對壓力容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)都是利用局部補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行的。局部補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的特點較為突出，局部補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)可以有針對性地對壓力容器某一處開孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，不需要像整體補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)那樣大面積地對壓力容器進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)操作，所以所需要的補(bǔ)強(qiáng)材料也能夠更加節(jié)省，補(bǔ)強(qiáng)的零部件在經(jīng)過焊接之后可以與壓力容器作為一個整體結(jié)構(gòu)承載壓力，抗疲勞性能較好。

2 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀

壓力容器開孔處的受力程度是開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計要考慮的極為重要的一個因素，受力一般分為峰值受力、彎曲受力以及局部薄膜受力三種形態(tài)，三種形態(tài)之間有著較為明顯的差異，所以在開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計中要根據(jù)受力情況的不同選擇合理的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計方法。第一，如果是峰值受力的話，開孔補(bǔ)強(qiáng)主要需要考慮的是壓力容器面對壓力變大的抗疲勞度和對壓力容器的破壞力。如果只考慮到壓力增大會對壓力容器造成不可逆的破壞但忽略了抗疲勞度的話，那么這個開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計就是失敗的，而且實踐表明這樣的壓力容器依舊會遭到嚴(yán)重的、不可逆的破壞，不能作為一個合格產(chǎn)品投放到化工領(lǐng)域用來儲存有毒易燃的氣體液體。第二，彎曲受力主要是用來提高壓力容器的持續(xù)穩(wěn)定性能，壓力容器的穩(wěn)定性好，有毒易燃?xì)怏w液體的存放才會更加安全。如果不注意彎曲受力的話，壓力容器的穩(wěn)定性將會大大降低，即使能夠存儲有毒易燃的氣體液體，也會由于穩(wěn)定性不足導(dǎo)致泄漏現(xiàn)象的發(fā)生。第三，局部薄膜受力的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計主要關(guān)注的重點是如何應(yīng)對壓力容器壓力不穩(wěn)定的現(xiàn)象，因此要確保開孔的地方的受力情況能夠滿足開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計的所有需要。壓力容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計要能夠全面考慮到這三種不同的情況，要更多地結(jié)合好這三種不同的需求，有針對性地設(shè)計不同的壓力補(bǔ)強(qiáng)的壓力容器，使之能夠適合不同環(huán)境不同情況，提高安全性能，保證存儲的安全性。

3 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用探析

3.1 通過連接厚壁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)

承壓能力和壁厚之間的計算公式是：壓力=（壁厚×2×抗拉強(qiáng)度）/（外徑×系數(shù)），在壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)的各種手段中，對厚壁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的做法比較普遍的一種，在開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計過程中，對厚壁進(jìn)行連接時，一般要綜合考慮厚壁連接的材質(zhì)，而且要結(jié)合壓力容器壁面的材質(zhì)，考慮到壓力容器的使用場所、環(huán)境如何以及開孔處的受力形式。一般開孔直徑不小于150毫米，厚壁與壓力容器開孔壁保持高度一致，如果補(bǔ)強(qiáng)的材質(zhì)與開孔處的材質(zhì)有出入的話，就會導(dǎo)致補(bǔ)強(qiáng)之后的穩(wěn)定性極差，在外力作用下，這樣的壓力容器極其不穩(wěn)定，容易發(fā)生危險，不僅導(dǎo)致壓力容器無法正常使用，而且存儲在內(nèi)部的有毒易燃?xì)怏w液體也會發(fā)生泄露，甚至發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成更大的危害。開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計對連接管的要求也非常高，首先就是要求連接管要有足夠的強(qiáng)度，但是對于受力強(qiáng)度的把控又要十分精準(zhǔn)，與跟壓力容器的抗壓能力保持高度一致。如果連接管的受力強(qiáng)度要高于或者低于壓力容器的受力強(qiáng)度，就會嚴(yán)重影響壓力容器的補(bǔ)強(qiáng)效果，也將會進(jìn)一步影響整體的補(bǔ)強(qiáng)效果。開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計中的厚壁連接可以選擇鍛造件，鍛造件的精細(xì)化程度相對于其他產(chǎn)品來說更高，能夠有效避免加工出現(xiàn)誤差導(dǎo)致的不精確而影響開孔補(bǔ)強(qiáng)的效果。但值得注意的是，選擇鍛造件并不能盲目，需要根據(jù)壓力容器所面臨的環(huán)境和所需要承受的壓力大小來進(jìn)行特殊鍛造，保證鍛造件是最符合要連接的壓力容器使用環(huán)境的。

3.2 通過補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計

補(bǔ)強(qiáng)圈主要應(yīng)對的是局部薄膜受力問題，這樣的設(shè)計能夠進(jìn)一步保證壓力容器的安全性能，增強(qiáng)壓力容器儲存的能力。通過補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計的要點如下。第一，考慮壓力容器的旋轉(zhuǎn)場所和存儲物。如果壓力容器要放在一個環(huán)境溫度差別很大的地方，而且壓力容器內(nèi)要存放具有很強(qiáng)腐蝕性的物質(zhì)的時候，則不建議使用補(bǔ)強(qiáng)圈的方式進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)，因為外部環(huán)境溫差大，就需要壓力容器具有很好的抗溫度差異的性能，而且內(nèi)部由于存儲著具有強(qiáng)腐蝕性的物質(zhì)，這也要求壓力容器同時要具備很好的抗腐蝕性，而補(bǔ)強(qiáng)圈并不能夠很好地做到這兩點。如果壓力容器開孔處的負(fù)荷不適合補(bǔ)強(qiáng)圈的話，就需要考慮利用其他的方式方法對壓力容器進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)。第二，補(bǔ)強(qiáng)圈的設(shè)計制作過程要嚴(yán)格按照國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。值得注意的是，在補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計和制作的時候要注意壓力容器開孔處的壁厚，壁厚一般要小于1.50牛，抗拉強(qiáng)度要低于540兆帕，如果補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度超過了壓力容器的壁厚，那么就會導(dǎo)致在焊接時候難度突然增大，而且影響焊接的效果，嚴(yán)重的會導(dǎo)致在焊接過程中由于受熱過度使鍛造的補(bǔ)強(qiáng)圈發(fā)生形變甚至斷裂，最終會導(dǎo)致因為補(bǔ)強(qiáng)圈的問題影響到壓力容器的正常使用和存儲。通過上述會發(fā)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)圈對于壓力容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)有著重要的作用，所以設(shè)計人員必須要重視補(bǔ)強(qiáng)圈的設(shè)計問題，對補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度、材質(zhì)要進(jìn)行嚴(yán)格的把關(guān)，確保補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計以及制作沒有任何瑕疵，保證與壓力容器的契合度，保證壓力容器能夠正常使用。

3.3 通過整體鍛造進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計

整體鍛造相比于其他開孔補(bǔ)強(qiáng)的方式優(yōu)勢就在于能夠更加有效地提升抗壓能力，減少壓力容器的整體受力。使用整體鍛造補(bǔ)強(qiáng)主要是因為壓力容器存放的環(huán)境比較惡劣，比如極度寒冷或者極度高溫，又或者是非常擁擠和不穩(wěn)定，容易發(fā)生各類的碰撞等。壓力容器對精度要求還非常高，例如要求壓力容器所能承受的壓力要精確到小數(shù)點后兩位甚至更多，這樣就需要整體鍛造，整體鍛造補(bǔ)強(qiáng)能夠在滿足這些需求的同時有效控制好成本。但是，由于需要對壓力容器進(jìn)行整體鍛造，所以工藝水平要求較高。相對于其他幾類補(bǔ)強(qiáng)方式來說，整體鍛造是最難實現(xiàn)也最難大量采用的補(bǔ)強(qiáng)方式，但由于其精度高、補(bǔ)強(qiáng)效果明顯，仍然會有部分需求采取整體鍛造的方式對壓力容器進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。整體鍛造補(bǔ)強(qiáng)的限制條件為抗拉強(qiáng)度小于540兆帕，補(bǔ)強(qiáng)圈厚度要小于1.50牛，設(shè)計溫度要低于350攝氏度。

4 結(jié)束語

總而言之，本文通過仔細(xì)研究，分析查找，走訪論證，得出開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計主要通過厚壁管連接、補(bǔ)強(qiáng)圈及整體鍛造三種方式，這三種方式各有不同的側(cè)重，也同樣各有優(yōu)勢，經(jīng)過合理運用都能夠很好地實現(xiàn)對壓力容器的補(bǔ)強(qiáng)。壓力容器是化工領(lǐng)域重要的存儲設(shè)備，按照規(guī)定認(rèn)真正確地使用將會給我們的化學(xué)領(lǐng)域試驗和發(fā)展帶來更大的便利，能夠存儲許多棘手的物質(zhì)，又能保證這些物質(zhì)的安全。但使用不當(dāng)就會導(dǎo)致存儲的有毒易燃?xì)怏w、液體發(fā)生泄漏，危害人民生命安全，造成大量財產(chǎn)損失，影響化工領(lǐng)域的快速發(fā)展，影響到我國化工領(lǐng)域在國際上的地位。因此，設(shè)計人員要重視壓力容器的安全性，充分認(rèn)識開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計對于壓力容器補(bǔ)強(qiáng)的重要性，持續(xù)關(guān)注著開孔補(bǔ)強(qiáng)在壓力容器中的應(yīng)用作用，通過不斷論證，查閱資料，現(xiàn)場實地考察，提供一些更加有建設(shè)性的意見對策，讓開孔設(shè)計在壓力容器中的應(yīng)用越來越廣泛，讓壓力容器的安全性越來越高。

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