壓力容器開孔補強設計的應用探討

鐘敏

（鎮海石化工程股份有限公司，浙江　寧波 315042）

壓力容器開孔補強設計的應用探討

鐘敏

（鎮海石化工程股份有限公司，浙江寧波 315042）

如何提升壓力容器的性能，實現壓力容器的科學設計，就成為現階段石油化工行業必須要考慮的現實問題。本文旨在從開孔補強角度出發，在相關科學理論的之下，探究壓力容器開孔補強設計的應用，以期在提高壓力容器抗壓性能的同時，促進石油化工行業的健康快速發展。

壓力容器 ； 開孔補強 ； 設計理論 ；應用策略

出于壓力容器的使用需求，在壓力容器設計的過程中，往往會在不同的位置進行開孔。開孔不僅可以實現壓力容器的各種功能，便于功能調試與操作，還為容器自身的維護與保養提供了便捷條件。但是這些開孔會改變容器整體結構并且因為開孔接管處幾何不連續，容器強度受到削弱，接管與主殼相貫處應力集中，內壓下產生較大的局部應力，再加上接管上會有各種附加載荷產生的應力、溫差應力及容器材質和制造缺陷等因素的綜合作用，往往成為容器破壞的原發部位。這就不可避免的導致了壓力容器整體抗壓能力的降低，不僅影響自身的實際使用效果，還大大增加了維護與保養成本。為了提升壓力容器的整體性，就需要我們對開孔接管處進行開孔補強，因此開孔補強對壓力容器設計來說就有著十分重大的現實意義。

1 壓力容器開孔補強優化設計應用應遵循的原則

（1）壓力容器開孔補強優化設計的應用必須要遵循科學性的原則。壓力容器開孔補強優化設計的應用在石油化工生產實踐中的實現，要充分體現科學性的原則，只有從科學的角度進行石油化工生產的目標，反應的原理、反應流程的制定以及生產硬件與軟件構成式等多個方面進行細致而全面的考量［3］。只有這樣才能夠最大限度的保證壓力容器開孔補強優化設計的應用能夠滿足石油化工生產實踐的要求，只有在科學精神、科學手段、科學理念的指導下，我們才能夠以現有的技術條件為基礎，進行壓力容器開孔補強優化設計應用的科學探索與研究。

（2）壓力容器開孔補強優化設計的應用必須要

遵循實用性的原則。石油化工生產項目作為人類改造自然環境的重要社會行為，對自然環境做出了巨大的改變，經歷從無到有，從小到大的過程。而這一過程的實現就需要雄厚資金的支持，從實際來看，資金的穩定供應與否能夠直接影響到壓力容器開孔補強優化設計的應用的質量與水平，因而壓力容器開孔補強優化設計的應用必須要遵循實用性的原則，最大限度降低石油化工生產的成本投入，降低壓力容器開孔補強優化設計的應用方面的資金投入，從而能夠將更多的資金利用與其他方面，保證我國石油化工產業結構優化與升級的順利進行。

2 壓力容器開孔補強準則及設計方法

壓力容器開孔邊緣存在三種應力，因性質不同，補強準則也不同。①開孔邊緣局部薄膜應力補強準則是保障開孔局部截面的靜力強度或防止失穩。②孔邊因變形協調產生的彎曲應力，由于屬于二次應力，對種應力的控制和補強準則應從安定性加以考慮。③孔邊的峰值應力，器破壞與疲勞相關聯，對于這種應力的控制也即補強應從疲勞強度進行考慮。

壓力容器開孔補強從設計方法區分大致以下幾種：①等面積法；②圓筒徑向開孔補強分析法（以下簡稱“分析法”）；③壓力面積法；④其他方法，如試驗應力分析法等。

在壓力容器常規設計中，上述的等面積法和分析法是經過我國鍋爐壓力容器標準化技術委員會認可的設計方法。壓力面積法是原西德AD規范中的開孔補強方法，在我國尚不能作為合法的設計依據，當殼體開孔超出GB150—2011規定時，該法只能參考使用。應力分析法則常用于壓力容器分析設計中。

等面積法適用于壓力作用下的殼體和平封頭上的圓形、橢圓形或長圓形開孔。具體的適用范圍詳見GB150.3—2011中6.1.2條。

分析法是清華大學薛明德教授歷時20多年的研究而提出的薄殼理論解，用于內壓作用下具有徑向接管圓筒的開孔補強設計，其使用范圍如下：

d≤0.9D且最大［0.5，d/D］ ≤δet/δe≤2

其中：

d——接管中面直徑；

D——圓筒中面直徑；

δet——接管有效厚度；

δe——殼體開孔處的有效厚度。

壓力面積法使用范圍較等面積法大，其開孔直徑與殼體外徑之比≤0.8。

等面積法是基于靜力平衡，即以開孔有效補強范圍內的金屬面積（包括殼體、接管、補強材料等）的承載能力與內壓力載荷相平衡為準則的計算方法。它有一定的局限性，等面積法粗略地認為在補強范圍內補強金屬的均勻分布降低了孔邊緣的應力集中作用；忽略了開孔處應力集中于開孔系數的影響，例如相同大小的圓孔，當殼體直徑很大時造成的強度削弱就小，反之殼體直徑很小時，開孔率很大，削弱也大，因此等面積法有時富裕，有時顯的不足。所以等面積法限定了較小的開孔率等特定條件。等面積法不適用與疲勞強度要求的開孔補強計算。

分析法的模型假定接管和殼體是連續的整體結構，因此在使用分析法時，應保證焊接接頭的整體焊透性和質量。分析法的設計準則是基于塑性極限與安定分析得出的，通過保證一次加載時有足夠的塑性承載能力和反復加載的安定要去來保證開孔安全。使用分析法時，須保證不超過GB150—2011中規定的范圍，且不得查過曲線查詢范圍。分析法也不適用與疲勞強度要求的開孔補強計算。

壓力面積法也是基于靜力平衡為準則的計算方法。它對于具有大開孔的薄壁殼體只能滿足靜載荷設計要求，不能滿足安定性要求。所以按AD規范B篇設計的容器應當滿足安定性要求：即在設計壽命內，允許安全幅度的壓力循環不超過1 000次。

在不滿足安定性要求的容器下，壓力面積法無法給出開孔率與壁厚的比值定量數值，這是因為壓力面積法無法給出開孔邊緣的局部應力。當開孔率較小時，其設計偏保守。

3 壓力容器開孔補強的結構型式

殼體的開孔補強可采用補強圈補強和整體補強兩種結構型式。

在進行開孔補強優化設計的過程中，局部強化是一種較為常見的開孔補強方式，在大多數情況下回采用補強圈補強的方式來進行操作。補強圈補強是利用焊接技術，在壓力容器的壁上焊接補強板材，借助于補強板材來有效提升開孔周圍的抗壓能力，作為一種直接有效地開孔補強方式，補強圈補強能夠有效地節約人力與物力投入。我們在進行操作的過程中必須注意以下幾點。

（1）對于補強板材的厚度要進行考量。在進行開孔補強設計的過程中，要從容器自身的特性出發，將容器的體系大小、開孔的數量以及補強的實際要求進行綜合判斷與分析，在此基礎上科學合理的選擇補強板材的厚度。一般來說補強板材的厚度應該小于等于是殼體厚度的1.5倍左右。這有這樣的板材厚度才能夠保證補強效果，提升壓力容器的整體抗壓性能。

（2）提升補強圈的環境適應能力與性能的穩定性。由于壓力容器特殊的工作環境，使得補強圈的適用范圍較小，一般來說當壓力容器處于極強腐蝕性以及氧化環境下時，就不能采用補強圈進行開孔補強設計。近些年來由于補強板材材質上的不斷優化，使得補強圈的環境適應性有所提升，但是這種提升并不是無極限，我們仍然要根據壓力容器的實際工作環境，對補強圈進行取舍，以保證壓力容器正常工作。保證工業生產的順利進行。

整體補強是指采取增加殼體厚度，或用全焊透的結構型式將厚壁管或整體補強鍛件與殼體相焊的補強型式。

［1］ 付雙武.在壓力容器中的開孔補強結構設計［J］.科技與企業，2014（3）.

［2］ 李世玉.壓力容器設計工程師培訓教程 . 新華出版社.

［3］黃燕麗. 大開孔結構壓力容器有限元分析及強度設計［D］. 沈陽工業大學， 2014（13）.

［4］ GB150—2011.壓力容器.

［5］ 壽比南等. GB150—2011壓力容器標準釋義.

（P-01）

Application ofpressure vessel opening reinforcement design

TH49

1009-797X（2016）10-0018-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.005

鐘敏（1980-），男，江西宜春，工程師，本科，從事工作為壓力容器及加熱爐設計。