開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

楊巧蓮+江鵬

摘 要： 壓力容器，一般是工業(yè)生產(chǎn)中用于完成產(chǎn)品反應(yīng)、傳質(zhì)、傳熱、分離、儲(chǔ)存等生產(chǎn)工藝過(guò)程并在此過(guò)程中承受壓力載荷的密閉容器，是石油石化工業(yè)、能源工業(yè)、科研、軍工等國(guó)家重要產(chǎn)業(yè)的重要設(shè)備，其的安全性關(guān)系著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是壓力容器設(shè)計(jì)中必不可缺的部分，開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的計(jì)算與標(biāo)準(zhǔn)在壓力容器設(shè)備中也具有相關(guān)規(guī)定，然而，在開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用中，其的安全性能、合理性能、成本高低等都需經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，本文主要對(duì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，以此提高壓力容器的性能，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)；壓力容器設(shè)計(jì)；應(yīng)用

前言：在設(shè)計(jì)壓力容器過(guò)程中，為了使壓力容器的性能發(fā)揮至最大在壓力容器的容器壁上開(kāi)孔并連接接管是不可缺少的。然而，開(kāi)孔處理不可避免的對(duì)容器帶來(lái)一定的損傷，影響了壓力容器的整體牢固性能，降低了壓力容器對(duì)壓力的承受能力，導(dǎo)致壓力容器出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)。另外，壓力容器長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)下工作，在壓力容器壁的開(kāi)孔以及接管連接處這一受壓薄弱環(huán)節(jié)將會(huì)受高溫影響，同時(shí)，由于制造材料上的不足等因素，導(dǎo)致壓力容器的開(kāi)孔處與接管處產(chǎn)生失效、破裂現(xiàn)象，影響了壓力容器的安全性能[4]。因此，在壓力容器的設(shè)計(jì)制造中，根據(jù)國(guó)家相關(guān)規(guī)定對(duì)其進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，以此彌補(bǔ)壓力容器的薄弱之處，提高壓力容器的安全性能與質(zhì)量。

1、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單概述

1.1、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的重要性

在進(jìn)行壓力容器的設(shè)計(jì)中，開(kāi)孔處理的操作極為常見(jiàn)。一般來(lái)講，在壓力容器壁上開(kāi)孔多是為了后期接管方便，滿足壓力容器的功能齊全，除此外，在對(duì)壓力容器進(jìn)行全面維修與養(yǎng)護(hù)、調(diào)試之時(shí)，相關(guān)人員也經(jīng)常會(huì)對(duì)容器壁進(jìn)行開(kāi)孔處理，保證容器的正常運(yùn)行。然而，壓力容器本身是一個(gè)密閉的容器，其在運(yùn)行的過(guò)程中承受著壓力的荷載，而開(kāi)孔處理使得壓力容器內(nèi)部應(yīng)力出現(xiàn)斷層差異[2]，在很大程度上降低了容器對(duì)壓力的荷載能力，降低了容器的性能。除此外，在開(kāi)孔處接管促使容器內(nèi)部受力不均問(wèn)題凸顯，另外應(yīng)容器材料問(wèn)題等多方因素，造就了壓力容器難以達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)的效果，極大降低了壓力容器的性能。據(jù)17年某地發(fā)生的石油石化企業(yè)的密閉容器爆炸事件調(diào)查，造成故障發(fā)生的原因竟是相關(guān)工作人員在檢修時(shí)在容器壁上進(jìn)行開(kāi)孔，然卻疏忽了開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，最終導(dǎo)致事故發(fā)生，由此可見(jiàn)，在設(shè)計(jì)壓力容器或容器檢修時(shí)，了解容器的相關(guān)規(guī)范，在保證容器性能的同時(shí)，對(duì)開(kāi)孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)極為重要。

1.2、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的公式

在相關(guān)技術(shù)人員對(duì)容器開(kāi)孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了對(duì)補(bǔ)強(qiáng)方法、容器內(nèi)部應(yīng)力等的思考外，還應(yīng)注意對(duì)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的計(jì)算。目前，補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)所應(yīng)用的計(jì)算方法主要是a+b+c≥d，在此公式中，a表示補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)的多余面積，a=容器殼體有效厚度-計(jì)算厚度。b也是表示多余面積，與a不同的是，b=接管的有效厚度-計(jì)算厚度。c表示補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域焊接時(shí)的金屬截面積。d指的是壓力容器開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的面積，由此公式可看出，并不是所有的壓力容器均需補(bǔ)強(qiáng)，在壓力容器設(shè)計(jì)實(shí)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)前夕，需進(jìn)行多方測(cè)量與計(jì)算來(lái)確定。

2、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法的選擇

2.1、等面積補(bǔ)強(qiáng)法

等面積補(bǔ)強(qiáng)法的原則：在容器與接管連接處周圍的補(bǔ)強(qiáng)面積等同于殼體開(kāi)孔時(shí)所減少的截面積。等面積補(bǔ)強(qiáng)法的特點(diǎn)：安全可靠、使用簡(jiǎn)便、多用于中低壓容器的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)中。

2.2、極限分析法

極限分析法的原則：分析實(shí)驗(yàn)應(yīng)力，并根據(jù)不同接管、不同參數(shù)來(lái)測(cè)量應(yīng)力集中參數(shù)，并繪出K=f（d、D、S0、S1）曲線，根據(jù)曲線圖進(jìn)行計(jì)算[4]。極限分析法的特點(diǎn)：多用于對(duì)設(shè)備要求不高、容器僅受蠕變范圍之外的恒定壓力作用下的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)[3]。

2.3、安定性準(zhǔn)則法

安定性準(zhǔn)則法的原則：計(jì)算時(shí)，若一次薄膜應(yīng)力+二次薄膜應(yīng)力<兩倍屈服應(yīng)力值，則容器安全性有保障。安定性準(zhǔn)則法的特點(diǎn)：多用于受循環(huán)壓力作用的容器，且開(kāi)孔結(jié)構(gòu)滿足安定性準(zhǔn)則情況下應(yīng)用，防止受到高應(yīng)變疲勞或增量破壞而降低容器的性能[6]。

3、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

3.1、補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)，其主要施工方法為在容器壁上另外焊接一塊補(bǔ)強(qiáng)板來(lái)增加開(kāi)孔處的承載面積，增大承受應(yīng)力的金屬面積，降低開(kāi)口邊沿的應(yīng)力峰值。補(bǔ)強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)位置關(guān)系著容器應(yīng)力值的變化，對(duì)應(yīng)力值具有較大影響，在開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的發(fā)展中，相關(guān)研究人員對(duì)補(bǔ)強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)與應(yīng)力值的變化進(jìn)行了嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的成果證明，當(dāng)相同截面積的金屬材料補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)在容器不同位置時(shí)，其對(duì)應(yīng)力系數(shù)的變化具有較大影響；當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)材料均勻分布于容器內(nèi)外兩側(cè)，材料的對(duì)稱性避免了附加彎矩以及彎曲應(yīng)力的產(chǎn)生。

3.2、整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中的重要方法，起主要作用是降低壓力容器外殼的應(yīng)力值，避免新應(yīng)力產(chǎn)生影響容器的整體性能，是補(bǔ)強(qiáng)效果最大化。然而，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在應(yīng)用中具有較高的限制，尤為突出的一條即為在殼體過(guò)渡時(shí)保持平緩度[1]。且在應(yīng)用整體鍛件設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)過(guò)渡中所存在的某一具備過(guò)多應(yīng)力的點(diǎn)實(shí)行嚴(yán)格的預(yù)防控制。相關(guān)工作者為全面了解補(bǔ)強(qiáng)與容器性能間所存在的問(wèn)題，對(duì)各種補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)進(jìn)行大量實(shí)踐，實(shí)踐結(jié)果表明，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方式對(duì)保持容器的性能具有很好的效果，卻因各種因素的影響，在具體施工中，操作難度大，花費(fèi)成本高，對(duì)施工技術(shù)要求具有較高標(biāo)準(zhǔn)，若是存在任何一項(xiàng)因素未達(dá)標(biāo)現(xiàn)象，則對(duì)整體補(bǔ)強(qiáng)效果帶來(lái)極為不利的影響。

3.3、厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在壓力容器設(shè)計(jì)中，經(jīng)常使用的是厚壁補(bǔ)強(qiáng)的方式進(jìn)行容器壁的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)，在厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)中，最重要的一點(diǎn)材料選擇，其材料選擇的方式多是根據(jù)容器殼體的外形特點(diǎn)以及使用條件進(jìn)行選取，一般情況下，厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)的材料多與容器所用材料相同，以此確保兩者間的金屬特性與強(qiáng)度一致。根據(jù)相關(guān)科研人員研究表明，在進(jìn)行厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，選擇材料的強(qiáng)度等級(jí)高于容器殼體材料的等級(jí)時(shí)，其對(duì)容器的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)效果而言，并未起到效果增強(qiáng)的作用，相反，不匹配的材料為容器造成了一定的負(fù)擔(dān)，影響了壓力容器的整體性能[5]。另外，在厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用無(wú)縫鋼管與鍛件間進(jìn)行加工制作后，能有效的減少加工誤差，避免不利影響，提高容器的性能，對(duì)此，當(dāng)容器壓力較大且補(bǔ)強(qiáng)厚壁較大時(shí)，采用鍛件加工所帶來(lái)的效果更好。

4、總結(jié)語(yǔ)

綜上所述，想要保證壓力容器功能強(qiáng)大，性能完好，在壓力容器壁上開(kāi)孔設(shè)計(jì)不可缺少，然開(kāi)孔對(duì)壓力容器的結(jié)構(gòu)與性能均產(chǎn)生一定影響，開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)因此而被廣泛應(yīng)用于壓力容器的設(shè)計(jì)中。在開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)容器自身特點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，進(jìn)一步增強(qiáng)容器應(yīng)用的安全性，避免容器遭受不必要的損害，保證壓力容器的質(zhì)量。■

參考文獻(xiàn)

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