開孔補強方式的對比及設計中的問題

夏宜岑（沈陽派司鈦設備有限公司，遼寧 沈陽 110168）

開孔補強方式的對比及設計中的問題

夏宜岑（沈陽派司鈦設備有限公司，遼寧 沈陽 110168）

由于工藝和結構的要求，讓設備可以正常的使用、測試和檢修，石油化工行業中，在設備或壓力容器上開孔并安裝接管是避免不了的，例如：人手孔，進出料空，液位計口，測溫孔等。但開孔后，開孔處給容器帶來的安全隱患也是不可忽視的。開孔處成為設備主要破環源。主要影響有以下幾點：

（1）開孔破環了原有的應力分布并引起應力集中

（2）承載截面縮小，從而削弱容器壁的強度

（3）形成容器結構的不連續性，產生很高的局部應力

因此，采取適當的補強方式，并充分考慮開孔補強問題是必須的也是必要的。這是保證壓力容器安全的重要因素。

開孔補強分為局部補強結構和整體補強兩大類。但由于開孔應力集中的明顯局部性，在不大的范圍外就可以回復到正常的應力值，故除了制造或結構的需要外，一般我們不采取提高整個容器壁的厚度來進行開孔補強。由于考慮到制造經濟性及安全性，在壓力容器設計中通常采用局部補強方式，大體分為補強圈補強、厚壁管補強和整體鍛件補強三種方式。下面我們就這三種方式使用工況及使用時存在的問題進行討論。

1 補強圈

補強圈的作用彌補開孔對設備殼體性能的削弱。補強圈補強，由于制造便捷，結構簡單，廣泛使用在中低壓容器中。在制造廠中也是最愿意選取的一種方式，因此使用經驗也是最為豐富的。但使用補強圈的限制條件較多，工況較復雜的情況不適用，根據HG/T20583的規定，以下情況均不推薦采用補強圈的形式進行開孔補強：①高強度鋼和鉻鉬鋼制造的容器。②設計壓力大于或等于4Mpa的第三類容器。③容器殼體壁厚大于或等于38mm。④容器內介質毒性為極度、高度危害的介質。⑤疲勞壓力容器。⑥工作溫度為高溫（＞350℃）和低溫（≤-20℃）的壓力容器。⑦補強圈的厚度大于1.5倍的容器壁名義厚度。第7點尤為值得注意，在GB150和HG/T20583中只要求補強圈厚度小于等于1.5倍容器壁名義厚度。但忽略了JB/T4736《補強圈》中給出的補強圈尺寸系列中給出補強圈厚度最大為30mm，反推，如果補強圈厚度最大為30mm，殼體最大厚度為20mm，顯然JB/T4736中要求高于GB150及HG/T20583。這一點部分設計者對標準掌握不全面，將補強圈厚度定在30mm以上，或在材料代用時以厚代薄是不符合要求的。

補強圈成形應盡可能與容器的外形緊密貼合。盡管正常情況下設置在容器的外面，但不影響容器的運行，補強圈也可放在容器里面。使用補強圈時，按要求設置一個M10螺孔。M10螺孔作用有三，分別為檢測中的試壓、焊接時的排氣、使用時的檢漏。該螺孔在非標補強圈中經常容易被忽視。在實際制造過程中，就曾發生未設置信號孔，熱處理后發現殼體與補強圈的連續焊縫被撕裂。

2 厚壁管補強

厚壁管補強即在開孔位置焊上厚壁接管取代普通接管。與補強圈補強相比，厚壁管補強能更有效的補強，因為厚壁管加厚部分處于最大應力區域呢，厚壁管可以很好地降低應力集中系數。厚壁管補強的補強形式結構簡單，焊接量小，也是制造廠比較常用的一種補強方式。值得注意的是采用該種補強形式，一定要保證焊縫全熔透。另在使用計算軟件（SW6-2011）計算時，“接管實際外伸長度”一值該如何填寫值得討論。我們在計算軟件中輸入“接管實際外伸長度”值是為了確定“接管外側有效補強高度”，因此厚壁管的削邊和筒體占的長度不應計入“接管外側有效補強高度”。故我們在輸入“接管實際外伸長度”一值時，應輸入圖1中的H值。

圖1

3 整體鍛件補強

整鍛件補強，該補強結構是將接管和部分殼體連同補強部分做成整體鍛件，再與殼體和接管焊接。優點：采用對焊焊接形式，容易探傷，抗疲勞性能好。但鍛件制造成本較高，在普通壓力容器中使用較少。大多使用在高壓設備及重要設備上。

4 結語

綜上可知，這三種補強方式都有各自的優缺點。在壓力容器設計中，根據壓力容器具體運行工況，和容器開孔的大小及位置，選取比較合理和經濟，制造便捷的補強方式。

[1]GB/T150.1～150.4-2011.壓力容器[S].

[2]HG/T20583-2011.鋼制化工容器結構設計規定[S].

[3]B/T4736-2002.補強圈[S].

Opening Reinforcement Methods—comparison and problems in design

Xia Yicen(Pass Titanium Equipment Co．Ltd，Liaoning Shenyang 110168，China)

結合生產實際，對不同開孔補強方式進行對比，以及設計中開孔補強容易忽視的問題。

開孔補強；補強圈；厚壁管補強；整體鍛件補強

Combining with the production practice,contrast the different opening reinforcement methods,and the problems that are easily overlooked in the design.

Opening reinforcement;Reinforcing circle;Thick wall pipe reinforcement;Integer-reinforced structure

夏宜岑（1991-），女，助理工程師，遼寧沈陽人，2013年畢業于遼寧石油化工大學過程裝備與控制工程，現就職于沈陽派司鈦設備有限公司，研究方向，從事壓力容器設計。