淺談開孔補強設計在壓力容器設計中的應用

劉昌林

摘要：開孔補強設計，是壓力容器設計中的主要環節，是決定容器設計質量的主要指標。本文對開孔補強設計方案進行了簡要的介紹，強調了開孔補強設計在壓力容器設計中的重要性。基于此，本文主要對開孔補強設計方案的應用方法進行了探討。以期能夠為容器設計領域的相關人員提供參考，優化設計結果，僅供參考。

關鍵詞：開孔補強設計;壓力容器設計;應用

前言：

開孔有助于增強壓力容器的性能，但卻對容器本身的強度造成影響，致使容器的應力分布情況發生改變。為確保開孔施工能夠有效進行，降低開孔對容器應力分布情況的影響是關鍵。開孔補強方案的實施，有助于達到該目的。根據補強面積的不同，可將開孔補強分為整體補強與局部補強兩種。為提高壓力容器設計的科學性，對兩種補強方案進行合理應用較為重要。

1 開孔補強設計概述

1.1 整體補強

作為開孔補強方式的一種，整體補強的補強面積較大，要求在考慮壓力容器整體強度參數的基礎上，對容器進行設計。整體補強適用于開孔數量較多的壓力容器的補強設計，具有操作簡單、全面性強的優勢。將該方案應用到壓力容器的設計過程中，能夠有效提高補強效率[1]。除此之外，該方案同樣具有材料利用率高的優勢，設計人員可視自身需求，考慮是否采用該方案補強。

1.2 局部補強

與整體補強相比，局部補強的面積較小，但針對性較強。該方案優勢在于應用范圍較廣，對壓力容器開孔數量的要求不高。當某壓力容器設計完成后，設計人員可利用局部補強技術，單獨針對容器上的某一小孔進行補強，操作面積較小，抗疲勞效果較好，且基本不會對容器開孔的邊緣焊接情況造成影響，在壓力容器的設計過程中，應用價值同樣較高[2]。

2 開孔補強設計在壓力容器設計中的應用方法

以壓力容器的厚壁接管補強為例，壓力容器設計過程中，可采用以下方法進行開孔補強：

2.1 材料的選擇

壓力容器后壁接管設計過程中可選擇的材料類型較多，根據材料的不同，其強度等級以及補強面積同樣不同。

2.2 尺寸的確定

本部分從接管尺寸以及過渡段尺寸兩方面出發，對壓力容器開孔補強過程中尺寸的選擇方式進行了探討：

2.2.1 接管尺寸的確定

壓力容器接管內徑的尺寸，應與工藝管線的內徑尺寸相同。根據國家標準要求，壓力容器設計過程中，法蘭的內徑，可根據設計需求而確定。設計時，設計人員可首先確定小管的內徑，在此基礎上，計算出小管的壁厚。

2.2.2 過渡段尺寸的確定

壓力容器的過渡段，主要處于接管的大端與小端之間。過渡段的長度，是決定壓力容器整體強度的主要因素。為改善補強結構，設計人員應將過渡段的尺寸，控制在接管大端與小端厚度差的1--3倍內，提高長度選擇的合理性。過渡段與接管的大端及小端的連接，應保持圓滑，以免應力過于集中，對壓力容器應力分布的均勻性造成影響。過渡段圓角尺寸R，可按照法蘭頸部的圓角尺寸進行選擇，提高選擇結果的合理性。

2.3 參數的控制

壓力容器設計過程中，補強面積、殼體厚度、外伸高度與焊接質量參數的控制方法如下：

2.3.1 補強面積的控制

壓力容器開孔補強過程中，接管大端端部的圓角，是影響補強面積的主要指標。根據國家標準要求，壓力容器補強過程中，如接管大端的厚度較大，且其圓角的尺寸同樣較大，而補強面積的富裕量較少時，應考慮適當減小該部分面積，以免對補強效果造成影響。除此之外，設計人員還應將壓力容器開孔的數量，應用到補強面積計算過程中。根據開孔數量的大小，適當增加或減少補強面積。

2.3.2 殼體厚度的控制

壓力容器殼體的厚度，同樣應視接管大端的厚度而確定。實踐研究顯示，如大端的厚度超過殼體厚度的1.5倍，焊接冷裂縫的產生幾率將明顯提高，判斷導致該現象出現的原因，與接管剛度的提高有關。隨著接管與殼體剛度差的增加，兩者之間連接部位的變形協調性，將明顯下降。此時，受外力作用影響，冷裂縫則較容易出現。為避免兩者之間剛度過大，可將內插入式厚壁接管，應用到容器設計過程中，以減小接管大端的厚度，改善補強效果。

2.3.3 外伸高度與焊接質量的控制

壓力容器接管的實際外伸高度，應按照接管的結構而確定，且與接管的厚度有關。外伸高度應保證大于有效高度，才可使壓力容器的強度得以增強。從焊接質量的角度看，采用厚壁接管補強的壓力容器，設計壓力均較高。目前，我國針對壓力容器厚壁接管設計壓力指標，仍無明確的規定。但所有資料均顯示，該指標必須>4.0MPa，方可達到補強的目的。焊接時，如采用較細的焊條打底，實現雙面焊，則必須進入到殼體的內部進行清根。為提高設計效率，可將氬弧焊應用到焊接打底過程中，提高焊接質量。

3 補強圈補強設計在壓力容器設計中的應用

壓力容器有多種開孔補強方式，通常分為兩類，一類是整體補強，另一類是局部補強。局部補強在壓力容器中的應用頻率較高，補強操作一般會選擇應用補強圈的方法，補強圈的補強方式是在將補強圈焊接在壓力容器上部，將存在孔洞的位置進行加厚處理，使其具有更大的承受應力的能力。只有開孔的位置合理，補強的厚度滿足要求，才能實現妥善的補強操作。要實現合理的補強，必須對壓力容器的制作過程以及工藝進行分析和研究，查看焊接工作的質量，來實現補強更加簡單、方便，對操作有利，所以，在外部的焊接補強可以很好地提高壓力容器的強度和耐久性，實現開孔位置抗疲勞性能的顯著提高。

4整體鍛件補強設計

開孔補強的意義在于使容器開孔位置的強度得到補充和提高。使材料開孔位置的質量和強度得到優化，保證被開孔的壓力容器的質量以及整體性能。整體鍛件補強方法和其他的補強方法相比，具有獨特的優點和優勢，比如：保證壓力容器處于較低的應力狀態，保證不會出現新的應力點，實現整體上極好的補強效果。但是，整體鍛件補強對客觀條件的要求也較高，相對苛刻，比如：必須保證殼體表面平滑過度，避免在容器過度位置出現較大的應力，在實際的生產制造過程中，整體補強具有極好的補強效果，同時，對過渡焊縫等位置具有較高的要求，導致施工難度增加，工程的前期資金投入量增加，對設計人員和施工人員的專業水平提出了更高的要求，如果操作中的任何一個條件不能得到滿足，都會對壓力容器的補強效果產生影響。

5 結束語

綜上所述，將開孔補強應用到壓力容器的設計過程中，能夠達到提高容器設計方案的科學性、增強容器強度、改善容器性能的目的。設計人員應認識到開孔補強的重要性。設計時，應合理選擇補強材料，在此基礎上，準確計算出接管與過渡段的尺寸，并對補強面積、殼體厚度、外伸高度及焊接質量等，進行優化控制，最終達到提高壓力容器設計水平的目的。

參考文獻

[1]馮浩.壓力容器設計中開孔補強設計的應用及實踐[J].南方農機，2015，46（11）：73-74.

[2]周一飛.開孔補強設計在壓力容器設計中的應用研究[J].廣州化工，2015，43（14）：181-182.

[3]鄭小海.開孔補強設計在壓力容器設計中的應用[J].輕工標準與質量，2015（03）：64-66.

[4]劉英.開孔補強設計在壓力容器設計中的應用[J].中國高新技術企業，2015（09）：30-31