淺談大開孔嵌入式補強在催化裂化中的應用

黨亞茹 張滿航

摘 要：開孔補強是壓力容器制造中的常見結構，本文對壓力容器制造中常見的補強方法進行總結，并通過實例介紹了嵌入式補強的應用及組焊工藝。

關鍵詞：壓力容器；開孔補強；嵌入式補強

在壓力容器的設計中，由于結構的要求，常常要在容器上開孔和連接接管。開孔的結果，不但會削弱容器的強度，而且在開孔的附近會造成很高的局部應力。加上制造材料的材質和制造方面的缺陷等綜合因素的影響，失效往往開始于開孔的邊緣處，往往成為容器破壞的一個重要原因，必須引起十分重視。因此，針對大開孔且開孔接管上常作用有較大的集中載荷時，需要進行合理的補強，才能保證其在生產中正常安全的使用。

1 補強的結構形式

1.1 補強圈補強。補強材料一般和殼體相同，補強圈與殼體很好的貼和，所有焊縫必須緊密焊接，為便于焊后檢驗壓縮空氣試漏，在補強圈上應開小孔并攻絲（M10）。

1.2 整體鍛件補強。此種結構補強金屬集中于開孔應力最大的部位，應力集中系數最小。焊縫均為對接焊，并使焊縫及其熱影響區離開最大應力區的位置。故抗疲勞性能好，若采用密集補強形式，又加大了過度圓角半徑，應力集中系數更小，但鍛件補強需機械加工量大、成本高、制作難度大。

1.3 厚壁接管補強。厚壁接管補強是一種非常好的補強方法，它以工程造價低、便于施工及適用范圍廣等優點，得到了廣泛應用。然而厚壁管補強也有一定的局限性，即當厚壁管的厚度達到殼體厚度的1.75倍且仍然不能滿足補強要求時，如果還是采用增加厚壁管厚度的方法，則對開孔補強的作用不大，此時需要采用增加殼體厚度和厚壁管厚度的補強方法。

2 厚壁接管補強應用及組焊工藝選用

2.1 某石化公司總承包的150萬噸/年催化裂解制乙烯裝置中的再生器便使用了此種補強型式，如圖2.1所示。

采用此種補強形式在保證補強要求的同時大大節約了成本，也避免了鍛件采購周期長的缺點。由于此臺再生器采用的是密集式嵌入補強，因此，選取補強板的組焊工藝就成了新的問題。

2.2 方案論證

2.2.1 常規施工方案。①設備筒體基板分片卷制成筒節，采用正裝法組對、焊接；②嵌入補強板單獨下料，卷制成型后與大接管進行組焊；③將組焊成整體的補強板與接管進行熱處理，消除角焊縫處焊接應力；④設備筒體整體成型后，在殼體補強板處劃線、開孔，將補強板與接管整體嵌入殼體。經論證，此種施工方法不夠合理，首先，材料利用率低。由于此裝置中再生器多達13塊嵌入補強板，且最大補強板尺寸為5800×4400mm，最小補強板尺寸為1440×1277mm，若采用常規方法，其材料利用率最多為80%，浪費過大。其次，現場安裝施工難度大。再生器中N5管口處補強板與接管整體重近40t，其開孔標高位于EL.28973處，待設備筒體整體組焊完成后開孔組對補強板與接管難度過大，必須有大型吊車配合，施工人員也必須在高空作業。殼體上開孔若不合適，必須利用氣割逐步調整。最后，焊接應力集中區過多。如圖2.2所示，圖中云線處均為焊接應力的集中點。

2.2.2 論證后施工方案。設備殼體排版時將嵌入補強板與基板整體考慮，在避免出現十字焊縫的前提下保證基板與補強板的環向焊縫齊平，以減少應力集中區，如圖2.3所示。

2.2.2.1 殼體分片卷制。按照以往設備制造的工序，每帶筒節須整體進行卷制，最后將每帶筒體進行組焊，以保證整個設備的圓度及直線度要求。但由于目前國內制作水平的限制，無法完成薄厚板的同時卷制，對此我們進行分片卷制、分片組對的工序，分別成型后采用正裝法進行組對焊接。

2.2.2.2 改進后施工方案存在的技術難點。①排版需精準。論證改進后方案對整個設備的排版要求極高，首先，排版需考慮大開孔補強板在整個設備殼體中所處的位置不能改變，由于補強板所處位置基板不進行預制，因此其尺寸必須精確。若是同一厚度的弧板進行對接，其下料尺寸可以控制，但此裝置中的“兩器”嵌入補強板與基板不等厚，所以在排版計算下料尺寸時就必須進行板厚處理，將其換算為同一厚度進行下料。②各處薄厚板坡口、削邊的唯一性。由于此裝置中再生器殼體處有大量開孔嵌入式補強，各處根據板厚的不同，其削邊處理也不相同，再生器Φ12000mm段排版后就出現在大量不等厚弧板的對焊。此段各弧板的削邊型式及坡口型式便具有唯一性。

坡口的唯一性體現在不同板厚之間坡口型式選取的不同，殼體基板與嵌入式補強板坡口型式選取。

削邊型式的唯一性體現在80mm、86mm厚的嵌入式補強板。由于補強板尺寸過大，無法整體卷制，只能進行分片卷制，而在分片時為了避免十字焊縫，必須將補強板與基板錯開，這就造成了同一塊弧塊的一側出現兩種不同的削邊處理。

參考文獻：

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