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

鮮磊 張依妮（中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦 124010）

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

鮮磊 張依妮（中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦 124010）

壓力容器是工業(yè)上常用于存放那些有毒有害、易燃易爆的工業(yè)高壓氣液體的容器。其表面和內(nèi)部的壓力分布，直接影響其使用中安全性、可靠性、穩(wěn)定性。因此，研究其壓力分布十分必要，壓力容器的開孔處存在三種應(yīng)力分布，具有更為特殊性，是壓力容器壓力分析的典型代表。

開孔補(bǔ)強(qiáng)；壓力容器；應(yīng)力；容器壁

隨著社會的發(fā)展，工業(yè)流程進(jìn)一步復(fù)雜化，那些有毒有害、易燃易爆的工業(yè)高壓氣液體越來越需要存放安全性，穩(wěn)定性的保障。開孔作為一般壓力容器的結(jié)構(gòu)組成之一，尤為重要。壓力容器需要在設(shè)計過程中注意的問題就是開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計。

1 開孔補(bǔ)強(qiáng)的相關(guān)概念

一般情況下，壓力容器都會有開孔工藝，開孔的目的主要是接管的安裝需要，還有就是為了進(jìn)一步有效檢修的需要，平常維護(hù)的需要，開孔后，壓力容器的周應(yīng)力將發(fā)生變化，需要重新考慮應(yīng)力分布情況，肯定直接影響壓力容器的整體強(qiáng)度，為壓力容器造成威脅，對其安全、穩(wěn)定、可靠的保障造成直接影響，尤其是開孔的那部分區(qū)域存在著受力不均的問題，形成局部的高壓力和另一部分低壓力，使之差值逐漸拉大。另一方面，工業(yè)中的環(huán)境情況惡劣造成了壓力容器長期暴露在風(fēng)吹日曬中，開孔部分更是容易造成腐蝕的地方，其安全性造成威脅，同時開孔處也是連接處，密封的整實性也是值得考驗的地方，容易造成破損，給壓力容器帶來更多的威脅因素。

在開孔補(bǔ)強(qiáng)的過程中，容器壁開孔區(qū)域處存在三種應(yīng)力分布，部分薄膜、彎曲和峰值應(yīng)力。［3］這三種應(yīng)力是截然不同的三個類型的應(yīng)力，很自然的，補(bǔ)償壓力的方式也是截然不同的，薄膜應(yīng)力沿截面厚度均勻分布的應(yīng)力成分，它等于沿所考慮截面厚度的應(yīng)力平均值，由無力矩理論求解的殼體應(yīng)力均為薄膜應(yīng)力，且屬一次薄膜應(yīng)力，根據(jù)有力矩理論計算，不連續(xù)應(yīng)力中也含有薄膜應(yīng)力分量，但屬二次應(yīng)力，由于部分薄膜應(yīng)力存在于壁厚的其中部分區(qū)域，一旦發(fā)生屈服就會出現(xiàn)局部壁厚的塑性變形，在壓力容器中，其危害性大于同等數(shù)值的彎曲應(yīng)力。［2］彎曲應(yīng)力簡單的說即彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力，彎曲應(yīng)力分為正應(yīng)力和切應(yīng)力，峰值應(yīng)力是由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應(yīng)力的影響而疊加到一次加二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量，介質(zhì)溫度急劇變化在器壁或管壁中引起的熱應(yīng)力也歸入峰值應(yīng)力，應(yīng)該從開孔對容器的破壞性和疲勞度方面進(jìn)行考慮，彎曲應(yīng)力則要提升容器的安定性。［2］

現(xiàn)在社會科技發(fā)展，針對這三種截然不同的應(yīng)力有三種不同的設(shè)計方案和思路，確保壓力容器的安全可靠，下面逐一介紹。

2 開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計思路及具體方法

第一種方法及思路：補(bǔ)強(qiáng)圈板設(shè)計，滿足彌補(bǔ)部分薄膜應(yīng)力，也是開孔補(bǔ)強(qiáng)的主要方法，在這一領(lǐng)域經(jīng)常使用。［3］該種方法就是將補(bǔ)強(qiáng)板焊在壁內(nèi)，實質(zhì)就是增加部分區(qū)域的壁厚，從而增強(qiáng)開孔區(qū)域的器壁強(qiáng)度，削弱了部分薄膜應(yīng)力的分布。壓力容器的生產(chǎn)中，將一塊鋼板焊在器壁外壁上比焊在內(nèi)壁更加容易操作，一般生產(chǎn)過程中，我們還是將其焊在容器壁外。

在進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)圈開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計過程中，我們要關(guān)心幾個方面：第一，補(bǔ)強(qiáng)板的尺寸性狀設(shè)計尤為重要，按照國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，其厚度小于開孔處厚度的一倍半，試驗證明，如果補(bǔ)強(qiáng)板的厚度超過開孔處的一倍半后，焊接難度增大，造成焊接熱應(yīng)力導(dǎo)致的補(bǔ)強(qiáng)板變形，還有導(dǎo)致斷焊，不完全焊等問題；第二，長期存放腐蝕性介質(zhì)的壓力容器，外界環(huán)境溫差大的情況，不能使用補(bǔ)強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)，對于開孔處存在扭矩或負(fù)載的情況不適合使用補(bǔ)強(qiáng)板補(bǔ)強(qiáng)

第二種方法及思路：厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)，此種方法也是開孔補(bǔ)強(qiáng)的重要手段。［3］此種方法的第一項工作就是管體材料的選取，選取依據(jù)就是要和器壁材料一致，至少是屬于同一大類，這樣的話，材料特性及強(qiáng)度大致一樣，就算是發(fā)生了塑性變形，兩部分之間的連接處不存在走形開裂等問題。材料特性及強(qiáng)度選取強(qiáng)于壓力容器器壁的材料作為接管是錯誤的思路，這種影響是反面的，焊接時會發(fā)生塑性變形，由于接管與容器器壁材料的強(qiáng)度不一致，這種變形將造成焊接處開裂，甚至斷裂情況的發(fā)生。［4］接管的管體應(yīng)選擇無縫鋼管或是鍛造材料制作，降低誤差產(chǎn)生，導(dǎo)致焊接出問題。無縫鋼管所承受壓力較好，適合于補(bǔ)強(qiáng)要求較高的壓力容器情況，鍛件材料較無縫鋼管承受壓力較低，補(bǔ)強(qiáng)要求不高時可以使用。

第三種方法及思路：整體鍛材補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計，該種設(shè)計將壓力容器的整體應(yīng)力全面削弱，而且此種方法最大的優(yōu)點就是沒有新的應(yīng)力產(chǎn)生。［5］相比以上兩種方法思路，整體鍛材補(bǔ)強(qiáng)效果是比較理想的，在加工焊接鍛材與壓力容器開孔處時，焊接的要求比較嚴(yán)格，這樣的話經(jīng)濟(jì)效益下降，不利于節(jié)本增效。

3 結(jié)語

由于壓力容器中存放的是高壓氣（液）體，如果保管不當(dāng)，很容易造成人員傷亡和財產(chǎn)損失等，所以每一個國家指派專業(yè)人員定期開展檢查其壓力耐受情況等。開孔作為一般壓力容器的結(jié)構(gòu)組成之一，尤為重要。壓力容器需要在設(shè)計過程中注意的問題就是開孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計。

［1］柏文廣，劉宜國.淺析壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計方法［J］.化學(xué)工程與裝備，2009（11）.

［2］國家安全監(jiān)督管理局.《安全工程大辭典》［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1995.

［3］劉文娟.開孔補(bǔ)強(qiáng)方法在壓力容器設(shè)計中存在問題分析［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012，12.

［4］柏文廣，劉宜國.淺析壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計方法［J］.化學(xué)工程與裝備，2009（11）.

［5］付雙武.在壓力容器中的開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.科技與企業(yè)，2014（3）.