壓力容器設(shè)計中補強結(jié)構(gòu)的選擇及運用

王 村，岳東陽

（江蘇四方鍋爐有限公司，江蘇 徐州 221142）

由于生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的需要，通常需要在壓力容器的殼體上開孔。開孔不但消弱了殼體對壓力的承載能力，而且在開孔附近處，會產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力。為使開孔處應(yīng)力下降到允許范圍內(nèi)，需要對開孔處進行補強。殼體的開孔補強，有補強圈補強和整體補強兩種結(jié)構(gòu)形式。

1 補強圈補強形式

補強圈補強俗稱“貼板補強”，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

其優(yōu)點在于：結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，實踐經(jīng)驗豐富，應(yīng)用普遍。

缺點是：與殼體金屬間不能完全貼合，熱量傳遞效果差，在溫度較高場合使用時，會產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力；與殼體的連接形式為搭接，抗疲勞性能差。

圖1 補強圈補強的結(jié)構(gòu)形式

這種補強結(jié)構(gòu)，一般使用在非疲勞載荷、常溫、中低壓、材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度下限值不大于540 MPa、補強圈厚度不大于1.5倍開孔處殼體名義厚度、殼體厚度不大于38 mm、承裝介質(zhì)為非極度、高度危害的場合。

JB/T 4736-2002標(biāo)準(zhǔn)中，給出的補強圈的最大厚度為30 mm，在選擇補強圈補強的時候，設(shè)計采用該標(biāo)準(zhǔn)中的補強圈，卻標(biāo)注出32 mm、34 mm的補強圈厚度，或在制造過程中“以厚代薄”的材料代用，也經(jīng)常出現(xiàn)這類超厚度范圍的問題。

按GB150中8.4.1的適用范圍，當(dāng)殼體的名義厚度是38 mm時，補強圈厚度最厚可以是1.5×38=57 mm，顯然JB/T4736-2002中對補強圈的允許厚度，遠小于GB150中的規(guī)定。如果只是遵照GB150的要求是不夠的。

在設(shè)計中，經(jīng)常會遇到設(shè)計人員對公稱直徑50 mm的接管選用補強圈補強，由于補強圈外徑太小，導(dǎo)致補強圈的外圈和里圈的焊接接頭的熱影響區(qū)重合，甚至由于內(nèi)外圈焊縫太近，而發(fā)生檢漏孔被焊縫堵死的情況。這種設(shè)計是不合理的。如果必須用補強圈補強，可以參照標(biāo)準(zhǔn)中DN50的補強圈的結(jié)構(gòu)尺寸，選取合理的焊接接頭型式，適當(dāng)放大補強圈外徑。這樣就可以避免上述情況的發(fā)生。

采用JB/T 4736-2002標(biāo)準(zhǔn)推薦的補強圈時，按該標(biāo)準(zhǔn)要求應(yīng)設(shè)有1個M10螺紋孔，并應(yīng)將螺紋孔放在最低位置。其作用有：檢查補強圈焊接接頭品質(zhì)、焊接時排氣、使用過程中檢漏。當(dāng)不是采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的補強圈時，有時會不設(shè)置螺紋孔。曾經(jīng)發(fā)生過由于不設(shè)置螺紋孔，導(dǎo)致設(shè)備在熱處理后補強圈與殼體的連接焊縫被撕裂的情況。

2 整體補強形式

整體補強有3種形式：增加殼體厚度的補強、厚壁接管補強、整體鍛件補強。

由于增加殼體厚度的補強方法，會較大地增加生產(chǎn)成本，一般很少采用。主要采用后兩種補強方法。若條件許可，對重要容器盡量以厚壁管或整體鍛件等結(jié)構(gòu)形式進行補強。其補強效果不僅優(yōu)于補強圈，而且應(yīng)用更加廣泛，在高溫、低溫、交變載荷、應(yīng)力腐蝕敏感、介質(zhì)為極、高度危害、殼體材質(zhì)為高強度鋼等補強圈不適宜的場合，都可以采用。

2.1 厚壁管補強辦法

結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。其優(yōu)點，是補強處于最大應(yīng)力區(qū)域，比補強圈能更好的降低應(yīng)力集中系數(shù)；厚壁管補強結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗方便，補強效果較好。

圖2 厚壁管補強的結(jié)構(gòu)形式

高強度低合金鋼制壓力容器或一些高壓容器，一般都采用該結(jié)構(gòu)，但必須要保證全焊透。

采用SW6計算軟件進行厚壁管補強計算時，當(dāng)計算程序要求輸入接管外伸長度時，有時會出現(xiàn)以下錯誤：

（1）將L值當(dāng)做接管外伸長度；

（2）將已削邊的厚壁管外伸總長度(L1+L2)當(dāng)做接管外伸長度。

由于法蘭主要是起到對外連接密封的功能，自身要承受軸向、徑向、環(huán)向等應(yīng)力，受力復(fù)雜，而且設(shè)計法蘭時并未考慮補強因素，如果要其參與到補強中來，這樣會使法蘭受力更加復(fù)雜，難以計算法蘭的受力情況(圖 3)。

圖3 法蘭受力形式

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，當(dāng)厚壁管厚度δ與法蘭直邊段厚度s相差過大時，需要對厚壁管進行削邊，削邊長度L2應(yīng)不小于3倍差值，此時厚壁管外伸部分并不是等厚的，若還是將其實際外伸部分當(dāng)做接管外伸長度，就可能會出現(xiàn)實際補強面積不夠，而補強計算卻通過的情況。既簡單又保守的辦法，是把L1作為接管外伸長度。

2.2 整體鍛件補強辦法

將接管與部分殼體以及補強部分做成整體鍛件，然后與殼體和接管焊接，如圖4所示。其優(yōu)點，是補強金屬集中于開孔最大應(yīng)力區(qū)，能做到最有效的降低開孔處的應(yīng)力集中系數(shù)。而且全部焊接接頭能成為對接焊，易于探傷，能保證焊接品質(zhì)，并且使焊縫及熱影響區(qū)離開最大應(yīng)力點。

這種補強結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能最好，疲勞壽命僅降低10%～15%。但是這種補強結(jié)構(gòu)由于鍛件供應(yīng)困難，制造煩瑣，成本較高，一般只用于重要場合，如高壓容器、核容器以及材料的屈服強度在500 MPa以上的設(shè)備等。

圖4 整體鍛件補強的結(jié)構(gòu)形式

計算開孔補強時，還應(yīng)考慮殼體的有效補強范圍，比如一臺直徑1 000 mm的換熱器，腐蝕裕量為1 mm，管箱筒節(jié)長度為700 mm，管箱筒節(jié)上有一個開孔，接管Φ 426 mm×10 mm，在用SW6計算開孔補強時，計算軟件給出的的殼體補強寬度為821 mm，如果在計算時不將補強寬度按實際尺寸700 mm修正，就有可能造成計算通過，而實際上補強面積不夠的假象。

由開孔所產(chǎn)生的局部應(yīng)力，具有明顯的局部性，離開孔位置越遠，衰減越迅速，在距離開孔邊緣等于孔半徑的位置上，其應(yīng)力水平一般僅比平均值增大20%左右。為了更有效地對開孔處進行補強，補強材料應(yīng)盡量靠近開孔處，使開孔補強所需面積的2/3分布在距離開孔邊緣的d/4范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語

開孔補強是壓力容器設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到設(shè)備投產(chǎn)后的安全運行。每種補強結(jié)構(gòu)都有其優(yōu)缺點，設(shè)計者應(yīng)該具體問題具體分析，爭取做到所選補強結(jié)構(gòu)，既能達到最佳補強效果，又能最大限度地節(jié)約成本，達到事半功倍的效果。

[1]GB150-1998，鋼制壓力容器[S].

[2]HG20583-1998，鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)定[S].

[3]蘇文獻，馬 寧.薄壁容器大開孔的新型補強結(jié)構(gòu)[J].壓力容器，2009，（11）：30-33，45.

[4]鄭津洋，董其伍，桑之富.過程設(shè)備設(shè)計（第二版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[5]張洪偉.圓柱殼大開孔應(yīng)力分析研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2003.

[6]章姚輝.管殼式換熱器的三維有限元分析[D].北京：北京化工大學(xué)，2003.

[7]張衛(wèi)義.內(nèi)壓圓柱形壓力容器大開孔率開孔補強結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力集中系數(shù)規(guī)律的研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2000.