壓力容器設計中開孔補強設計的應用初探

吳英海

摘 要：開孔補強設計是壓力容器設計中的重要環(huán)節(jié)，具有良好的應用價值，科學合理的開孔補強設計能夠保證壓力容器設計的安全性和經(jīng)濟性。本文簡要探討開孔補強設計在壓力容器設計中的應用，僅供相關人員參考。

關鍵詞：壓力容器設計；開孔補強設計；應用

現(xiàn)代社會經(jīng)濟的發(fā)展進步，壓力容器以其自身運輸簡單、儲量大等優(yōu)勢，在社會各領域內(nèi)均得到廣泛應用。此種情況下，為保證壓力容器設計質(zhì)量，降低安全隱患，應當充分做好開孔補強設計工作，保證壓力容器的安全性能，確保其在社會各領域內(nèi)得到安全使用。

1 開孔補強設計

1.1 開孔補強概述

壓力容器在開孔處理后，破壞容器原有的壓力平衡狀態(tài)，造成壓力的受力面積減小，開孔邊緣的應力增大，導致強度在原有容器的基礎上大大削弱，因此，必要的開孔補強能保證容器整體的壓力處于技術要求范圍內(nèi)。GB150-2011中對于圓筒、凸形封頭和錐殼（或錐形封頭）等不同類型壓力容器的開孔直徑做出明確的規(guī)定，從根本上講，就是為了保證壓力容器開孔的補強效果能滿足容器的強度設計要求。因此，壓力容器開孔后的補強設計是整個壓力容器設計過程中的關鍵環(huán)節(jié)。

1.2 整體補強和局部補強

在具體的實踐操作中，通過綜合考量開孔的數(shù)量、位置和壓力容器的一些其他要求，可使用不同的開孔補強方法，大體可以分為以下兩種：

第一，整體補強。這種補強方法操作較簡單，適用的補強位置廣泛。適用于面積較大的開孔，而且一般容器的整體強度較欠缺。在一些局部操作受限制的特殊容器中也可考慮采用整體補強的方法。采用整體補強，可以大大節(jié)約補強耗材，提高整個補強工作的效率，具有明顯的優(yōu)勢。

第二，局部補強。由于局部補強針對壓力容器的某個特定的開孔進行，補強工作的操作面積小，這種補強方法具有較強的針對性。相較于整體補強，局部補強是通過有針對性補強操作補充壓力容器壁上的開孔強度，可節(jié)約工作成本，縮短工作時間。這種補強方法的應用范圍比整體補強更大。

2 不同的開孔補強方法在壓力容器設計中的應用

所謂開孔補強，是指通過對開孔處強度進行補充來提高其強度等級，保證被開孔壓力容器的完整性和安全性。就當前壓力容器設計的具體情況來看，開孔補強設計在壓力容器設計中的應用主要體現(xiàn)在以下三個方面：

2.1 補強圈補強設計的應用

所謂補強圈補強設計，是指在壓力容器設計過程中，找準容器開孔位置，與其周圍貼焊鋼板實現(xiàn)補強，此時所貼焊鋼板即為補強圈。當前科學技術條件下，壓力容器設計中補強圈補強設計的兩種模式如圖1所示。

在補強圈補強設計中，應當合理選用標準化的補強圈，確保其與壓力容器壁的材料相同，結合壓力容器開孔補強的相關標準，掌握好補強圈補強設計是的尺寸大小，若未明確具體補強標準尺寸，可以結合壓力容器設計的實際情況，依照等面積補強的原則對補強圈設計尺寸進行準確計算，從而保證補強圈補強設計工作的有序開展。壓力容器開孔補強設計中應用注意，若采用補強圈補強設計方式，一旦補強圈的實際厚度超出8mm，在進行開孔補強時應當確保全部焊透，保證補強圈與容器壁協(xié)調(diào)受力。與此同時，在應用補強圈進行補強時，應當將補償圈紫玉壓力容器的內(nèi)外表面適當位置，確保所選位置便于焊接，從而保證補強圈補強質(zhì)量。一般情況下應用補強圈補強設計方法時，大多將補強圈置于容器壁外側(cè)，通過單面補強實現(xiàn)開孔補強，以確保開孔補強的價值得到最大程度的發(fā)揮，保證壓力容器設計的科學性和合理性。

補強圈結構簡單，制造難度較小且應用廣泛，在壓力容器開孔補強設計中受到廣泛關注和高度重視，具有良好的應用價值。但補強圈補強后，補強圈與殼體之間存在一層靜止氣隙，給壓力容器的整體傳熱效果造成嚴重影響，甚至會在補強圈與殼體之間形成溫差和熱膨脹差，最終導致溫差應力出現(xiàn)而嚴重影響壓力容器開孔補強設計的實際效果，并且會對壓力容器的實際應用埋下安全隱患。補強圈與壓力容器壁進行焊接時，一旦結構受力存在特殊性，不保證整體受力時，當壓力容器局部壓力過大時極易出現(xiàn)壓力容器壁變形或破壞的情況，降低壓力容器的整體抗疲勞性能，導致壓力容器運行的安全系數(shù)降低。

2.2 整體鍛件補強設計的應用

通過對比分析可知，整體鍛件補強設計與補強圈補強設計存在一定差異，補強圈補強所實現(xiàn)的是特定部位補強，而整體鍛件補強則是通過最大化降低容器殼體整體強度水平來減少集中應力的發(fā)生幾率，因而整體鍛件補強設計的實際補強效果在一定程度上優(yōu)于補強圈補強效果。相關實踐研究表明，在壓力容器開孔補強設計過程中，整體鍛件補強設計的要求較高，尤其是在整體鍛件與壓力容器壁之間的過渡性方面，一旦補強設計不科學或不適宜，會嚴重影響開孔補強設計效果，甚至影響壓力容器的安全使用。因此在壓力容器開孔補強設計過程中，應當嚴格規(guī)范生產(chǎn)擦做過程，規(guī)范過渡焊工藝條件，保證整體鍛件補強設計的安全性和可靠性，并合理控制生產(chǎn)加工成本，即便是在相對惡劣的條件下，也應當嚴格控制壓力容器補強精度，保證壓力容器開孔補強設計的可靠性，確保整體鍛件補強設計在開孔補強設計中的應用價值得到最大程度的發(fā)揮。

2.3 厚壁接管補強設計在壓力容器設計過程中的應用

厚壁接管補償應用中，正確選擇厚壁接管材料是關鍵，一般會遵循壓力容器的材料特征和使用條件進行選擇，選擇的材料強度等級應與母體基本一致，既不能過高也不能過低。因為強度等級過高就會影響焊接的質(zhì)量，導致補強后的整體效果不佳。如果強度等級低于母體材料則有可能會對接管流通面積產(chǎn)生影響，間接的導致焊接效果不佳補強后的壓力水平降低。給加工誤差帶來的不利影響，可通過使用無縫鋼管或鍛件加工最大限度地減少。當設計的容器壓力較高水平時，一般采用整體鍛件的加工方法，相反，設計容器的壓力水平較低時，可采用無縫接管補強方法。

結束語

總而言之，開孔補強設計是壓力容器設計中的一項重要內(nèi)容，其設計效果直接關系著壓力容器的使用性能。因此在開孔補強設計中，應當結合壓力容器的具體情況，掌握正確的開孔補強方法并加以合理利用，避免應力集中問題出現(xiàn)而影響容器壁狀態(tài)，通過對不同開孔補強設計方法的合理應用，保證壓力容器開孔補強設計的安全性和可靠性，促進其使用性能的最大化發(fā)揮，為后期壓力容器設備檢修與維護也帶來極大便利，為生產(chǎn)活動的有序開展提供可靠的支持。

參考文獻

[1]安連杰.開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析[J].中國機械，2014（15）：11-11.

[2]常小偉，楊萌.開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析[J].化工管理，2014（23）：45-45.

[3]王建波.開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析[J].化學工程與裝備，2014（10）：129-130.