壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)問題分析

劉 昭

（安德里茨（佛山）智能制造有限公司，佛山 528203）

隨著國家工業(yè)科技的發(fā)展，人們對(duì)壓力容器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和使用要求越來越高，壓力容器產(chǎn)品也變得越來越多樣化和復(fù)雜化。開孔補(bǔ)強(qiáng)是壓力容器產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)，是保證壓力容器安全運(yùn)行的重要因素，因此對(duì)于壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)問題的分析與探討非常必要。

1 壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法

由于壓力容器上的開孔削弱了殼體強(qiáng)度，并且造成開孔處的應(yīng)力集中，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加殼體開孔處的厚度或增加開孔處對(duì)應(yīng)接管的厚度。目前，最常用的壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法是等面積補(bǔ)強(qiáng)法。隨著科技的發(fā)展和行業(yè)內(nèi)各國專家對(duì)壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)的深入研究，許多新的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則逐漸被提出和應(yīng)用，如以塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的極限載荷補(bǔ)強(qiáng)法、基于彈性薄殼理論的圓柱殼接管開孔補(bǔ)強(qiáng)法等。不同方法的設(shè)計(jì)原理略有區(qū)別，適用于不同的開孔尺寸。在壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的使用場(chǎng)合和載荷性質(zhì)采取不同的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法。

1.1 等面積補(bǔ)強(qiáng)法

目前，國內(nèi)外分別采用以《壓力容器》（GB/T 150.1 ～150.4—2011）和ASME Ⅷ-1 為代表的壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范中的等面積補(bǔ)強(qiáng)法設(shè)計(jì)內(nèi)壓容器[1]。等面積補(bǔ)強(qiáng)法簡(jiǎn)單易行，并且經(jīng)歷了長期的實(shí)踐檢驗(yàn)，確定了開孔尺寸、開孔形狀和開孔處壓力的使用限制范圍[2]。由于等面積補(bǔ)強(qiáng)法以補(bǔ)償開孔局部截面的拉伸強(qiáng)度作為補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則，未考慮開孔邊緣的峰值應(yīng)力，不適用于疲勞容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)。

1.2 壓力面積法

壓力面積法是原西德AD 規(guī)范中的開孔補(bǔ)強(qiáng)方法，適用范圍比等面積補(bǔ)強(qiáng)法更廣。但是，我國壓力面積法尚未列入《壓力容器》（GB/T 150.1 ～150.4—2011）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，暫時(shí)不能作為設(shè)計(jì)依據(jù)。只有當(dāng)開孔直徑與殼體外徑之比超過我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定時(shí)，才能夠參考?jí)毫γ娣e法。同樣，壓力面積法也不適用于疲勞容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)。

1.3 分析法

分析法是基于塑性極限與安定分析得出的應(yīng)力分析方法[3]。由于分析法的模型是基于將接管和殼體作為一個(gè)完整而連續(xù)的整體結(jié)構(gòu)，運(yùn)用分析法計(jì)算的開孔補(bǔ)強(qiáng)，要求接管與殼體的焊接接頭必須全焊透，而且要保證焊縫質(zhì)量。對(duì)于超出等面積補(bǔ)強(qiáng)法限制范圍的圓柱殼大開孔接管，可以使用分析法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。

2 壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

在工程設(shè)計(jì)中，常用的壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式有補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)、厚壁管補(bǔ)強(qiáng)和整鍛件補(bǔ)強(qiáng)3 種。

2.1 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)

補(bǔ)強(qiáng)圈是指在容器開孔位置，貼合在容器外壁的一個(gè)圓環(huán)狀附件，通常采用與容器壁相同的材料，如圖1 所示。

補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，制造過程輕松，原材料易解決，成本相對(duì)較低，因此在中低壓力容器中應(yīng)用廣泛[4]。但是在使用過程中，它也存在一些缺點(diǎn)。例如，補(bǔ)強(qiáng)圈與容器外壁不容易完全貼合，中間有一定空隙，導(dǎo)致補(bǔ)強(qiáng)圈與容器殼體傳熱效果較差，內(nèi)部溫度較高，兩者之間會(huì)產(chǎn)生較大的熱膨脹差，進(jìn)而造成較大的局部應(yīng)力等。因此，《壓力容器》（GB/T 150.1 ～150.4—2011）中對(duì)于使用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的情況提出了3 個(gè)前提條件，即材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值應(yīng)低于540 MPa，開孔處殼體名義厚度不能大于38 mm，補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度不能大于開孔處殼體名義厚度的1.5 倍。

2.2 厚壁管補(bǔ)強(qiáng)

壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)可以通過增加開孔處殼體的厚度或接管厚度來提高殼體開孔處的強(qiáng)度，降低應(yīng)力集中系數(shù)，使其在允許的安全范圍內(nèi)。補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)相當(dāng)于增加開孔處殼體的厚度，厚壁管則是增加開孔處接管的厚度，如圖2 所示。

圖2 厚壁管

厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、焊縫較少，焊接質(zhì)量容易檢驗(yàn)。對(duì)于較大接管，由于接管壁厚較厚，難以直接采購對(duì)應(yīng)管材，通常需要設(shè)計(jì)成鍛件厚壁管，導(dǎo)致接管供貨周期和成本增加。厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)的應(yīng)用范圍廣泛，除了應(yīng)用于常見的壓力容器設(shè)計(jì)，還可用于壓力管道、鍋爐等承壓工業(yè)設(shè)備的開孔補(bǔ)強(qiáng)。厚壁管的合理設(shè)計(jì)不僅能夠提升設(shè)備的整體質(zhì)量，而且能夠延長設(shè)備使用壽命，減少維護(hù)和更換的頻率，從而降低生產(chǎn)成本和資源浪費(fèi)。

2.3 整鍛件補(bǔ)強(qiáng)

補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)和厚壁管補(bǔ)強(qiáng)兩種結(jié)構(gòu)在殼體與接管連接的轉(zhuǎn)角處都存在角焊縫，而且焊縫處焊接金屬較多，導(dǎo)致該部位存在較大的殘余應(yīng)力。因此，這2 種結(jié)構(gòu)抗腐蝕性和抗疲勞性相對(duì)較差。對(duì)于一些特殊的壓力容器，需要采用一種新的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)——整鍛件補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。為了避免出現(xiàn)過大的應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力，可以將開孔處部分殼體與參與補(bǔ)強(qiáng)的接管部分做成整體鍛件，鍛件的兩端再分別與殼體和接管對(duì)接，如圖3 所示。

圖3 整鍛件

由于應(yīng)力集中出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，即殼體與接管的轉(zhuǎn)角處，而整體鍛件剛好設(shè)置在該處，能夠有效降低應(yīng)力集中系數(shù)。另外，整體鍛件的兩端能夠與殼體和接管分別對(duì)接焊接，并且對(duì)接焊縫和焊接接頭熱影響區(qū)遠(yuǎn)離最大應(yīng)力點(diǎn)（轉(zhuǎn)角處）。整鍛件補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)受力狀況較優(yōu)，抗應(yīng)力腐蝕性和抗疲勞性都較好，但是制造成本高，制造周期長。工程上采用的補(bǔ)強(qiáng)形式，不僅要從強(qiáng)度方面考慮，還需從工藝要求、制造簡(jiǎn)便、方便施工、經(jīng)濟(jì)劃算等方面綜合選擇[5]。因此，整鍛件補(bǔ)強(qiáng)通常僅用于高強(qiáng)度鋼制容器、高壓容器、有應(yīng)力腐蝕趨勢(shì)的容器、有疲勞載荷以及大型球罐等使用要求較高的重要設(shè)備。

3 工程實(shí)踐中常見壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)問題及應(yīng)對(duì)策略

隨著科技的發(fā)展，壓力容器朝著大型化、高參數(shù)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化方向發(fā)展，傳統(tǒng)補(bǔ)強(qiáng)方法和補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)越來越難以滿足現(xiàn)代化工程實(shí)踐的要求，主要表現(xiàn)在3 個(gè)方面。第一，由于工藝的特殊要求，殼體上的開孔大小超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定的范圍，導(dǎo)致無法使用相關(guān)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算。第二，國內(nèi)壓力容器常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)于開孔處接管外接設(shè)備、接管內(nèi)流體振動(dòng)以及溫差引起的接管外載荷等問題未做詳細(xì)介紹，也未有具體設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致工程實(shí)踐中經(jīng)常忽略管外載荷對(duì)開孔處的影響，從而留下安全隱患。第三，國內(nèi)外規(guī)范對(duì)于特殊的開孔（如長條視鏡的開孔）缺少相關(guān)的指導(dǎo)文件，而很多反應(yīng)釜類型的壓力容器中因工藝條件需要，常常要求在容器殼體上開設(shè)長條視鏡，導(dǎo)致設(shè)計(jì)此類設(shè)備時(shí)無法把握準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方向?；诖耍瑢?duì)于工程實(shí)踐中傳統(tǒng)方式無法解決的開孔補(bǔ)強(qiáng)問題，提出以下新型的應(yīng)對(duì)策略。

第一，對(duì)于超出常規(guī)方法使用范圍的開孔補(bǔ)強(qiáng)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)仔細(xì)分析力學(xué)模型，合理確定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，可參考國外行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，如德國AD、美國ASME Ⅷ-1 等規(guī)范。

第二，對(duì)于管外載荷對(duì)設(shè)備開孔的影響，很多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)該問題進(jìn)行大量的模型實(shí)驗(yàn)，并且進(jìn)行各種不同的理論計(jì)算，已經(jīng)取得一系列的研究成果。目前，世界上應(yīng)用廣泛的是美國焊接研究學(xué)會(huì)的WRC-107 和WRC-297 公報(bào)的理論方法。但是該方法具有很大的局限性，適用范圍往往無法滿足現(xiàn)代化的工程實(shí)際需求。近年來，我國有關(guān)專家在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上也發(fā)布了相關(guān)技術(shù)文件，即《內(nèi)壓與支管外載作用下圓柱殼開孔應(yīng)力分析方法》（CSCBPV—TD001—2013）。該方法適用范圍更大，而且經(jīng)過現(xiàn)代化有限元分析軟件和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，結(jié)果比較吻合。因此，在壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合考慮接管外載荷對(duì)開孔補(bǔ)強(qiáng)的影響，參考國內(nèi)外行業(yè)內(nèi)的相關(guān)技術(shù)文件進(jìn)行綜合計(jì)算。

第三，對(duì)于特殊的開孔，往往需要將強(qiáng)度問題轉(zhuǎn)換為應(yīng)力問題。通過分析結(jié)構(gòu)在極限載荷下的應(yīng)力分布情況，可以確定結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中部位，并提出相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施，即利用現(xiàn)代化有限元分析軟件，結(jié)合分析設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在極限載荷下的狀態(tài)，避免過度設(shè)計(jì)或設(shè)計(jì)不足的情況出現(xiàn)。同時(shí)，該方法可以提供更多的設(shè)計(jì)自由度，使得設(shè)計(jì)者能夠在材料選擇、結(jié)構(gòu)形狀和尺寸等方面進(jìn)行更加靈活的設(shè)計(jì)。在具體的設(shè)計(jì)過程中，該方法需要綜合考慮材料的力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)的幾何形狀、載荷的方向和大小等因素。通過合理的假設(shè)和適當(dāng)?shù)哪Ｐ突O(shè)計(jì)人員可以通過數(shù)學(xué)和力學(xué)的方法，推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)在不同載荷下的應(yīng)力和變形情況。這種推導(dǎo)過程需要運(yùn)用到數(shù)值計(jì)算、有限元分析等現(xiàn)代計(jì)算工具，以獲得更加精確的結(jié)果。

4 結(jié)語

壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)有多種計(jì)算方法和補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式，它們有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)和使用條件。壓力容器設(shè)計(jì)人員應(yīng)針對(duì)具體項(xiàng)目正確分析各種開孔補(bǔ)強(qiáng)的適用范圍，選擇合理的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法和補(bǔ)強(qiáng)形式，延長壓力容器的使用壽命，提高壓力容器的安全系數(shù)。