開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析

周金衛(滄州大化集團有限責任公司設計所 河北 滄州 061000）

壓力容器為了使其使用功能得到發揮，就需要進行開孔，開孔是對容器本身的開發與改造，隨著開孔施工的進行，難免會對容器自身造成破壞性影響，影響容器的強度與牢固度，壓力容器的整體性能也可能遭到影響，為了減少容器破壞，實現開孔的順利進行，進行補強設計，加強開孔補強設計，常見的補強設計主要有：補強圈設計法與整體補強法。不同的補強設計法能夠產生不同的效果，必須根據開孔需要以及壓力容器的材質等來優選補強方法，要明確不同補強方式的優勢特征，所適合的壓力容器類型，經過全面的衡量與考察后，做出最優選擇。

一、補強圈補強設計在壓力容器中的應用

壓力容器的開孔補強方式很多，主要分為整體的補強和局部的補強，后者被廣泛實踐和應用，補強圈補強為主要的補強設計方法，也就是在壓力容器的表面焊接補強板，以此來確保即將設孔地方的金屬不斷增厚，以此來確保正確開孔，達到科學補強的效果。

根據壓力容器實際的制作過程、加工工藝性質等等，能夠推導出：在容器壁外部來焊接補強板通常要更容易、更加利于操作，所以，在實際的開孔補強操作實踐中也能夠得出，外部焊接補強板也能夠更好地提升壓力容器的強度、韌性和耐力，特別能夠增強開孔處的抗疲勞能力。

在使用補強圈進行補強設計過程中需要明確一下幾大方面：

第一，重點關注補強板的厚度，優化其厚度設計。一般來說，補強板的厚度應該小于壓力容器開孔地方厚度的1.5倍，經過大量的實驗實踐最后顯示：

當補強板的厚度>開孔處厚度1.5倍時，因為厚度超標，在補強板焊接過程中，焊接角勢必要增大，從而造成不連續應力的上升。而且要確保所選擇的補強板具有合格的延伸性、韌性與可塑性，所選擇的補強板材質的屈服度在正常溫度下，通常應該小于400mPa。

第二，當出現下面的情況和問題時，不應該采用補強圈補強設計方法：

當壓力容器處于溫度變化幅度較大、容易發生腐蝕或容易被氧化的環境中時，則不應該選擇補強圈這種補強設計方法，而且當出現承受載荷容易發生變化等問題時，也不應該選擇這種補強方式。

因為充當補強板的金屬多數居于開孔峰值應力位置，此處補強程度較高，因此，補強圈補強適合用在合金程度較低、強度較高的鋼質容器中。

如果壓力容器對補強質量需求較高，而且這種局部補強的方法已經無法滿足補強的需求，則要盡量選擇整體補強模式。

二、整體鍛件補強設計在壓力容器設計中的應用

所謂的開孔補強設計就是要對容器開孔處的強度進行補充和強化，提高開孔處材質的質量、強度和等級，只有這樣才能維護被開孔的壓力容器的質量，保持其完整性。同補強圈等補強方式相比，整體鍛件補強技術具有獨到的優勢和優點，具體體現在:它能夠確保容器外殼的應力水平降至最低，也就是幾乎不會出現新的應力點，從整體上發揮最佳補強功效。然而，整體鍛件補強設計對于客觀條件的要求也更多，特別對殼體的過渡通常有更多的要求，需要確保殼體的平緩過渡，要嚴格預防在過渡地帶殼體的某一端出現過多的應力，現實的生產加工制造中，事實證明，整體鍛件補強雖然總體上的補強效果最優，然而對于過渡焊縫等各方面的要求也更高，這樣無疑就加大了施工難度，擴大了施工成本，這無疑會對具體設計施工過程中的技術水平要求更高，一旦某一項條件不允許，都會影響壓力容器補強設計的效果。

三、厚壁接管補強設計的使用

同其他補強設計一樣，厚壁接管補強設計同屬于重要的補強設計方式，這一補強方式運用過程中，最重要的就是加強對接管材料的選擇，可以說接管材料的選擇直接影響到補強效果。

可以參照殼體材料的特點、性質、功能等來進行優選和設計，一般來說，要確保接管補強材料的材質同壓力容器殼體材料性質保持一致，這樣才能全面維護金屬的材質的融通性。

參照我國相關的規章制度，在選擇厚壁接管補強方法時，要確保接管材質強度等級同被開孔容器材質強度等級保持一致，一些人主觀上認為接管材料的強度等級應該更高，然而，經過大量的實驗研究表明，這種主觀想法是錯誤的，強度等級過高的接管材料不能夠發揮正面的補強功效，甚至會產生不良的負作用，這必將在整體上耽擱容器結構的牢固度與穩定性，相反，如果所選擇的接管材料強度等級較低，則需要對接管壁做增厚處理，只有這樣才能帶來良好的補強效果，而且也需要適度地控制接管流通面，經過多重操作，容器的整體補強效果也會受到不良影響，這樣不僅增加了施工工序，也使得開孔補強效果難以控制和確保，從而有損于容器功能與作用的發揮。

為了改變這一狀態，可以引入無縫鋼管技術，也可以使用鍛件加工技術，來優化厚壁連接補強技術，依托于這兩種技術，容器補強的誤差能夠得到有效控制，如果補強設計的壓力很小，對于補強的質量與效果要求相對較小時，因此可以采用厚度適宜的無縫鋼管，相反，則應該選擇鍛件加工技術。

而且經過實踐研究表明：厚壁接管在每條路徑中都承受著較大的應力強度，要想積極解決這一問題，就要引入內伸管，所選擇的內伸管的長度大小會在很大程度上影響接管的應力強度，一般情況下，內伸管越長，接頭地方的應力強度則越小，而且通過引入內伸管，也能夠發揮增強補強的功能。

總結

開孔補強設計是壓力容器補強設計工作的重要組成環節，要想確保壓力容器開孔后依然能夠保持原有的強度和功能，就要優選補強設計方式，并明確不同補強方式的優點、優勢以及所適合的開孔補強類型，同時也要結合壓力容器的材質、強度等多方面因素進行綜合考慮，選擇最優的補強設計方式，只有這樣才能全面提升壓力補強的設計功效。

[1]路智敏，趙利利.圓柱殼開孔補強結構的有限元分析[J].內蒙古工業大學學報(自然科學版)，2007；（04）.

[2]唐玉江.中低壓容器開孔撲強結構比較[J].石油化工設計，2012，19(1)：45-48.

[3]柏文廣，劉宜國.淺析壓力容器開孔補強設計方法[J].化學工程與裝備，2009（11）.

[4]王磊.壓力容器開孔補強設計方法比較[J].石油化工設計，2012，19(2)：17-19.

[5]于斐.壓力容器開孔補強及處理方法[J].管道技術與設計，2011(6)：14-16.