對壓力容器開孔補強幾個問題的認識

任建誠

（上海河圖工程股份有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430000）

實際設計以及生產中，不可避免的要對壓力容器進行開孔。壓力容器開孔后，在接管與殼體的連接處會產生很大的局部應力，這個應力比較特殊，有很大的局限性，其應力值與離開孔邊緣的距離成反比，距離越遠，應力值越小。因此，為了降低該區域的應力集中，可以在開孔附近局部補強。

世界各國所用的補強方法各不一樣，每種方法采用的設計準則也都不一樣，主要如下：等面積補強法，極限分析法，彈塑性失效等方法。

等面積法和應力分析法是我國 GB 150.1～GB150.4-2011 《壓力容器》（下面簡稱GB150 ）中的開孔補強計算所采用的兩種方法。應力分析法主要是根據彈性薄殼理論，本篇不做討論。在這里，我們主要對等面積法及補強結構進行分析。

1 等面積法及限制

為了維持容器整體屈服強度，殼體在開孔后，用來補強的金屬量需要大于或等于因開孔而損失的金屬量，這就是等面積補強法。等面積補強法是根據補強后，強度安全系數 4～5 確定，主要不降低殼體開孔后的平均應力。等面積補強方法是以無限大平板開小孔的理論作為基礎的，其安全可靠，使用簡便，能提供足夠的安全裕量即使其在內壓，彎矩，推力等的共同作用下。

在 GB150中，采用等面積法時對開孔直徑及開孔長短軸之比做出了限制，下面內容會詳細提到。

2 開孔補強截面的選取的原因

GB150第6.3.3.1 中對開孔截面有詳細規定，在此不做重復介紹，主要說明下為選取那些截面的原因：圓筒厚度計算公式針對的是環向薄膜應力，而圓筒承受此應力的截面是縱向截面，因此，開孔削弱的計算截面也應是縱向截面，即上面所提到的垂直于殼體表面的截面。

3 對開孔直徑及開孔長短軸之比做出限制的原因

當殼體的開孔超出 GB150 等面積補強的適用范圍（大開孔）時，等面積補強法將不再適用。這是由等面積補強法的理論基礎決定的，等面積補強法是架設在無限大平板開小孔的基礎上的，當開孔較小時，滿足這個假設基礎，應力的增大可以用等面積的金屬來補償，其誤差在允許范圍內。而當開孔較大時，其超出了小開孔大平板的理論分析模式，用等面積補強法就不能滿足補償強度的要求了，尤其是在孔邊附近應力集中增大，用等面積法均勻的金屬面積來補償顯然不能符合要求。因此，GB150上對開孔直徑做出了限制。

殼體開孔時的受力比較復雜。采用等面積法時只考慮了開孔截面處產生的平均應力，而忽略了開孔邊緣處的有應力集中以及在開孔區域局部高應力部位的存在安定性問題。當在圓筒形殼體上開縱向長圓形（橢圓形）孔的時，尤其是當長短軸之比較大的時候，很容易產生不安定問題，在長軸頂點處產生較大的局部應力，為了避免過大的局部彎曲應力，解決這個安定性問題，因此必須限制開孔形狀及長短軸之比，所以長短軸之比小于或等于 2的是在采用等面積補強計算方法特別要注意又特別容易忽略的一個問題，對此，GB150上也做出了相關規定。

4 補強結構

GB150 中提到的有補強圈補強和整體補強兩種方法。

為了降低開孔邊緣處的峰值應力，就需要增大承受應力的金屬截面積，于是為了增加開孔邊緣處的強度，我們就在器壁上額外焊接一塊補強板，這就是補強圈補強。最大應力值取決于補強圈的位置，在容器壁內外側對稱布置比在容器外表面完全布置的應力集中要小，在類似情況下，布置于內表面的比布置在外表面的應力集中要小些。如果容器要求承受交變壓力的作用，從抗疲勞能力看，選擇內外兩側的補強圈比其他形式補強圈合適，但由于介質等情況及考慮焊接的方便，一般是把補強圈放在器壁外側。

為了使補強圈起到補強作用，需要使補強圈與容器器壁之間焊接的很好，讓器壁與補強圈同時受力，因此一般在補強圈上有一個小孔，供通壓縮空氣來檢查焊縫緊密性的。然而補強圈與器壁之間會因為間隙的存在，形成一層薄的空氣靜止層，使傳熱效果變差，附加的溫差應力因此而產生。在搭接焊根處，往往因裝配間隙引起附加的彎矩，使應力增大。另外，補強圈結構抗疲勞性能不好，其不是一個整體，會有間隙的存在。補強圈與容器壁處的搭接焊縫，也會產生較高的局部應力，由于此處結構的不連續，形狀突變而造成；還會產生焊接裂紋，尤其是高強度鋼，因其本身淬硬性大對焊接裂紋更加敏感，更易開裂，產生焊接裂紋是由于容器器壁對焊縫金屬在焊接過程中會產生很大的約束作用，妨礙了其冷卻收縮。而采用焊前預熱及焊后熱處理等措施就可以很好的防止產生焊接裂紋的產生。鑒于以上原因，在采用補強圈補強時， GB150中對低合金鋼的標準抗拉強度，補強圈的厚度以及殼體開孔處的名義厚度均作出相關規定，同時，對有較大的溫度梯度及承受交變載荷的場合不宜采用補強圈補強。

整體補強有以下方法：

1 增加殼體的厚度；

2 把厚壁管或整體補強鍛件與殼體用全焊透的方式相焊。

整體補強中的厚壁管補強是指在容器開孔處焊上一個加厚的短管.

由于整體補強是直接在開孔處應力集中區域進行補強，其效果很好，因此特別適用于低合金高強度鋼容器的開孔補強。

不論是用補強圈還是厚壁管補強，所用補強厚度都不宜過大，否則會使補強連接處形狀突變，引起應力增大。

整體補強鍛件補強一般用于重要設備及開孔直徑大的補強設計上。在容器上開排孔或開孔多時，采用這種結構是比較經濟的。

結語

綜上所述，我們在壓力容器開孔補強設計時要注意此開孔是否在所選方法的適用范圍內，在此基礎上，選用合適的補強結構進行安全合理的設計是我們每個設計人所應當具備的能力。

[1]GB150.1-150.4-2011，壓力容器.

[2]HG/T 20583-2011，鋼制化工容器結構設計規定[S].

[3]李世玉，等.壓力容器設計工程師培訓教程[M].北京：新華出版社，2005.