淺談開孔補強技術在壓力容器設計中的應用

何禹

（大慶油田工程有限公司，黑龍江 大慶 163712）

在對壓力容器進行設計和制造的過程中，開孔操作這個環節極為重要，其可以很好地提高壓力容器的整體性能。但在完成壓力容器開孔操作之后，會或多或少的改變設備的整體結構，如內部對于壓力的承受能力以及對于局部應力的承受能力等都會有一定程度的變化，這種情況會造成實際運行期間安全隱患的出現。在對壓力容器進行設計的過程中，開孔補強技術的應用能夠使上述提及的安全隱患得到有效的消除。

1 壓力容器設計期間補強圈的應用

補強方式之中的局部補強是一種已經得到廣泛應用的設計方法，通過對補強圈補強方式進行利用，能夠使這個目標得到有效的實現。補強圈補強是指在壓力容器壁上焊接補強板，需要利用容器壁金屬的厚度更好地提升金屬開孔周邊容器壁強度。補強板的焊接操作一般都是在容器外壁進行的，這樣操作能更好地提高施工期間的便捷性。補強圈技術應用到壓力容器設計時，特別需要對以下幾方面內容給予重視。

（1）對補強板的厚度進行嚴格的控制。按照容器規格，設計人員需要有針對性的做出一些有效的補強，然后還要按照容器開孔的相關需求和補強的具體特點計算確定補強板的厚度。大多時候，選擇的前提是容器開孔處鋼板的厚度，GB150-2011中對補強板厚度的要求是不超過開孔處鋼板厚度的1.5倍。施工過程中如果選用的補強板比較厚，會明顯增加焊接的角度，還很有可能產生一些間接的應力。正確選擇補強板的材質非常重要，要求在使用過程中保證所選材質具有延展性和可塑性。

（2）保證補強圈技術的應用和補強圈的適用范圍相匹配。化工企業中常用的化工容器應用環境一般具有較強的腐蝕性和氧化性，而且在使用過程中溫差的變化較大，因此不適合采用補強圈方式補強。如果壓力容器受到較大荷載時，也不適合采用補強圈進行補強。控制補強圈金屬間的焊接峰值應力范圍極為重要，只有保證其被控制在一個合理的范圍內，才能夠對補強效果進行提升，在開孔補強操作進行應用之后，充分利用補強圈進行局部補強可以提高設備的質量。當超出補強圈補強的范圍時，應考慮采用整體補強。

2 壓力容器設計中厚壁接管補強法的應用

對壓力容器進行設計的過程中，我們不能忽視開孔補強方法中的厚壁接管補強法，但在實際應用期間，對厚壁接管材料選擇有著較高的要求，并且對厚壁接管材料選擇造成影響的因素相對也比較多，比如壓力容器的運行環境、殼體材料都有著極為密切的聯系。要想提高補強效果，就要采用相同的補強材料和壓力容器殼體，如果補強材料的應力比殼體材料應力低時，解決應力不足的問題，就要適當增加補強的面積。當補強的材料比殼體材料應力高時，提高應力的協調性，就要縮小補強的面積。在實際操作過程中我們不難發現，開孔操作在容器之中的應用，會造成邊緣局部應力出現持續上升的問題，結合局部應力在分布方面的特點，需要保證相鄰開孔之間的間距滿足GB150-2011中規定的要求。

要對補強操作之中補強材料的性能進行提高，就需要把應力比較高的位置當成是焊接補強過程中的關鍵，其所處的位置是在開孔的附近。針對補強面積進行計算時只需要將有效補強范圍面積減掉便可以。對于厚壁接管補強技術進行應用的過程中，如果發現補強板比殼體接管材料材質高，便會嚴重影響壓力容器所具有的使用性能，并且會與壓力容器實際運行過程中功能的發揮受到嚴重的掣肘。出現這個現象的主要原因在于接管材料中產生了較高的強度，增加了焊接工藝的難度，并且最終影響到了整個壓力容器所能夠達到的補強效果。

對接管材料選擇時會將殼體本身的材料設置成參照標準，這種情況之下如果接管材料強度低于殼體材料強度，要想對補強效果進行提升，就需要增加接管壁的厚度，并且使接管中的流通面積能夠得到良好有效的控制，使焊接過程能夠具備更大的便利，最終使壓力容器補強的效果得以實現。

3 壓力容器設計中對于整體鍛件補強技術的應用

設計壓力容器時，整體鍛件補強技術能夠發揮的作用比較大，壓力容器設計時采用補強技術的主要目的在于，利用金屬功能使開孔產生的強度得到降低，并且最終使殼體應力產生較為理想的平衡狀態。這時，平衡殼體的應力會使整體鍛件結構出現下滑的問題。針對這個現象，整體鍛件補強技術所具有的重要意義也就展現了出來。需要我們特別注意的是，在應用這個技術期間首先需要做的是對殼體和鍛件進行磨合，整個磨合的過程相對比較復雜，要想提高磨合的效果，就必須減少局部的應力，實際制造的過程中需要清晰的認識到鍛件補強會使焊接的難度增加。基于這種情況，在一些特殊的壓力容器運行環境中，便常常會對這個設計方法進行使用。

如果只選擇接管、封頭焊接位置以及接管的厚壁方向作為切入點，補強應力在整體鍛件之中數值最小，封頭上面的應力集中比較多，從這個位置順著封頭壁厚方向在應力強度的補強方式上不存在太大差異。我們很容易分析出應用厚壁接管法常常會有一些強度比較低的應力出現在接管頂端位置，其他位置所產生的應力大都比較大。在內伸管不斷增長的過程中強度也會出現不斷降低，如果內伸長度大于一定長度，就會使接頭位置的應力有明顯的降低，同時會在內伸管之中產生較大的位移。基于這種情況，我們也不難發現良，好的補強技術會在整體鍛件內伸的位置產生出來。相比于補強圈補強而言，內伸管補強所具有的應力值變化更加明顯，而且產生的補強效果也比較理想。

4 針對于開孔補強的具體設計

（1）等面積補強設計的方法。在對壓力容器補強處理的過程中，一般都會對等面積補強設計法進行應用，其主要是在一個有效的補強區域之中保證補強材料的橫截面積大于開孔損失面積，這樣便可以維持容器殼體結構屈服強度的平衡性。我們可以將其理論模型當成是一個不受面積限制的平板開孔，并且不會有過多彎曲出現而使偏差增大的問題發生。

（2）分析設計的方法。分析設計方法所指的主要是在GB150.3-2011之中所提及的新型補強設計方式，這種計算方式可以被具體劃分成兩種。第一種主要是核算和校對等效應力的處理，隨后對于開孔位置的等效薄膜應力強度S1和總應力S2進行計算，隨后科學的對其進行評定和處理。第二種主要是對補強結構尺寸的設計，這種設計方法參照的主要是GB150.3-2011之中的設計規范，以此為基礎提出了一個最小設計的尺寸。

分析設計法之中的模型屬于將殼體和接管假設成一個整體性的結果，基于這種情況在對其進行應用期間就需要保證焊接頭所具有的焊透性和質量。這種方法主要是以彈性分析和塑形極限作為基礎提出的設計準則，從最大程度上保證所具有的塑性比較充分且反復加載力足夠，進而從最大程度上為開孔操作過程中的安全性提供充分的保障。在對分析設計方法進行應用期間最好不要使用疲勞和外壓設計，應用范圍主要是針對圓柱的徑向進行開孔補強，而且針對殼體壁厚和接管之間的比值也會有具體的要求，保證后者與前者之間的比值被控制在0.5～2.0內。

5 結語

開孔補強方法對壓力容器進行實際設計的過程中所起到的作用十分關鍵，為了從最大程度上避免由于開孔處理使整個容器殼體強度受到的影響過大，以及所產生的局部應力集中過大的問題，就需要特別關注開孔補強的設計，使壓力容器在實際應用的過程中能夠規避安全隱患。通過應用多種類型的開孔補強設計方案，并且具體分析和研究合理的補強設計方法，使容器能夠最大程度上規避不必要損害出現的可能性，并且最終使容器的使用性能、使用壽命以及整體質量得到全面有效的保障。本文所選擇的切入點為整體鍛件的補強、對于補強圈的設計以及對于厚壁接管的補強三個方面，并且對開孔補強具體設計進行了一定的闡述，更好地推動我國化工領域的良好穩定發展。