壓力容器設(shè)計(jì)中開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)探析

張皓斌

（華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065）

1 引言

在壓力容器設(shè)計(jì)過程中，通常都會在壓力容器壁上開孔，來為后續(xù)的安裝和維修提供幫助。但是，不管是在壓力容器的哪一個(gè)部分進(jìn)行開孔，都會直接影響壓力容器的性能，因?yàn)殚_孔后就會破壞壓力容器自身的結(jié)構(gòu)。此外，還因?yàn)閴毫θ萜魉鶓?yīng)用的環(huán)境大多較為復(fù)雜，所以為了能夠減少開孔對于壓力容器的影響，就需要合理應(yīng)用開孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。

2 壓力容器設(shè)計(jì)中開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

對于開孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)而言，就是為了能夠解決壓力容器開孔所帶來的問題，通過開孔補(bǔ)強(qiáng)能夠很好地提升壓力容器的性能。利用開孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)對開孔的位置進(jìn)行處理，就能夠集中應(yīng)力，并且減少承載能力，進(jìn)而就能夠削弱開孔邊緣的強(qiáng)度，讓開孔位置的應(yīng)力能在合理范圍內(nèi)[1]。根據(jù)實(shí)際開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)對壓力容器的影響，就需要在應(yīng)用過程中，明確各部分的具體數(shù)據(jù)，嚴(yán)格按照要求來進(jìn)行操作。只有這樣，才能夠更好地保證壓力容器的質(zhì)量。通常情況下，大型壓力容器裝置本身是固定在建筑結(jié)構(gòu)中或是和工業(yè)建筑有一定關(guān)聯(lián)的，以確保壓力容器的穩(wěn)定性和安全性。因此，在部分大型壓力容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中，需要結(jié)合對工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對現(xiàn)有關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對建筑結(jié)構(gòu)、輔助性固定裝置進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 設(shè)計(jì)方法

1）等面積補(bǔ)強(qiáng)。這種方法是在利用開孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)過程中，通過在壓力容器表面的一個(gè)有效區(qū)域增加補(bǔ)強(qiáng)材料的橫截面積，并且保證橫截面積要大于開孔損失面積，這樣就能夠更好地確保壓力容器內(nèi)外結(jié)構(gòu)的平衡[2]。

2）分析設(shè)計(jì)法。這種方法是當(dāng)前的一種新型開孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。在應(yīng)用過程中，要能夠提升焊接強(qiáng)度和質(zhì)量，按照塑性極限的原理，來一次性的給予足夠的承載力，并且通過反復(fù)加載的方法來保證讓壓力容器的開孔安全。這種方法在對數(shù)據(jù)計(jì)算過程中，會分為兩種形式。首先，是對等效應(yīng)，通過計(jì)算出開孔處的等效薄膜應(yīng)力，進(jìn)而來對其進(jìn)行處理。其次，是補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這是按照以往的設(shè)計(jì)要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)，會將壓力容器和接管看作為一個(gè)整體，通過這樣的結(jié)果來了解焊接頭的質(zhì)量和性能，并且作為最終操作的具體數(shù)據(jù)。

3）不另行補(bǔ)強(qiáng)[3]。在應(yīng)用這種方法過程中，需要嚴(yán)格控制壓力，要保證整個(gè)壓力容器的壓力在2.5 MPa。在于開孔中心位置不小于兩個(gè)直徑的地位進(jìn)行處理，如果是開孔數(shù)量在3個(gè)以上，那么就應(yīng)該確保不管是哪兩個(gè)開孔煤氣距離都需要小于開孔直徑的2.5 倍。

3 壓力容器設(shè)計(jì)中開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的重要性

在設(shè)計(jì)壓力容器過程中，經(jīng)常會對壓力容器進(jìn)行開孔處理，進(jìn)而為后續(xù)的連接和安裝提供幫助，讓壓力容器能夠滿足不同的使用需求。而在應(yīng)用壓力容器的一段時(shí)間后，就需要對其進(jìn)行保養(yǎng)，這樣就需要通過開孔來達(dá)到目的。所以，這也能夠看出，開孔是壓力容器中不可缺少的處理內(nèi)容，能夠讓壓力容器的使用更加靈活。但是，在開孔過程中，會對壓力容器自身造成一定的破壞，在開孔后會直接影響壓力容器自身的抗壓性能[4]。這是因?yàn)樵陂_孔后，壓力容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，特別是在安裝接管后，壓力容器的內(nèi)部和外部受力不能夠保持均勻，這樣就直接影響壓力容器的正常使用。而在壓力容器的改造過程中，意味著建筑結(jié)構(gòu)的受力關(guān)系可能發(fā)生變化，而通過有效的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)及工業(yè)建筑改造，有助于在強(qiáng)化壓力容器可靠性的基礎(chǔ)上，保證整個(gè)工業(yè)建筑、工業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 壓力容器設(shè)計(jì)中開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的具體應(yīng)用

開孔補(bǔ)強(qiáng)就是通過對開孔處增加強(qiáng)度的方法，以此來更好地提升壓力容器開孔處的強(qiáng)度，保證在壓力容器被開孔后，自身依然完整，從當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用上來看，開孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)主要有3 個(gè)方面。

4.1 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用

補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，就是在設(shè)計(jì)壓力容器過程中，能夠明確開孔具體位置，然后，在開孔周圍焊接鋼板的方法，以此來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)，在這其中所焊接的鋼板就被稱之為是補(bǔ)強(qiáng)圈。并且，在當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的影響下，在應(yīng)用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)過程中，會有兩種模式。那么就應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況來選擇相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)圈，保證與壓力容器壁材料相同的基礎(chǔ)上，使用正確的開孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，掌握好補(bǔ)強(qiáng)圈的具體面積和尺寸。如果在這其中沒有明確補(bǔ)強(qiáng)圈的具體面積，就可以從壓力容器開孔的實(shí)際情況出發(fā)，來依照補(bǔ)強(qiáng)原則來計(jì)算補(bǔ)強(qiáng)圈的具體面積，以此來讓補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)工作能夠更加順利地開展。在應(yīng)用開孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)過程中，如果是利用補(bǔ)強(qiáng)圈這種方法，那如果其補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度超過8 mm，那么在進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)過程中就應(yīng)該保證全部焊透，確保補(bǔ)強(qiáng)圈和容器壁的受力均勻。與此同時(shí)，在利用補(bǔ)強(qiáng)圈來對其補(bǔ)強(qiáng)過程中，還應(yīng)該能夠明確補(bǔ)強(qiáng)圈的內(nèi)外位置，保證所選擇焊接位置合理，進(jìn)而來不斷提升補(bǔ)強(qiáng)質(zhì)量。在正常情況下，如果是利用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法，大多都是將補(bǔ)強(qiáng)圈焊接在壓力容器的外壁，通過單面補(bǔ)強(qiáng)的方法來達(dá)到目標(biāo)，以此來更好地發(fā)揮補(bǔ)強(qiáng)價(jià)值，進(jìn)而來保證壓力容器的設(shè)計(jì)合理。

補(bǔ)強(qiáng)圈的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，而且應(yīng)用廣泛，所以在當(dāng)前也受到廣泛的關(guān)注。但是，在完成補(bǔ)強(qiáng)后，會使得補(bǔ)強(qiáng)圈和壓力容器外壁之間存在氣隙，這樣就會影響壓力容器的傳熱效果，甚至還會導(dǎo)致壓力容器出現(xiàn)內(nèi)部溫差，如果溫差過大就會直接影響壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)的效果，在應(yīng)用過程中也容易出現(xiàn)問題。在焊接補(bǔ)強(qiáng)圈和壓力容器外壁的時(shí)候，如果其內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力存在問題，不能夠保證受力均勻的基礎(chǔ)上，就非常容易出現(xiàn)變形問題，進(jìn)而就影響壓力容器的整體疲勞，導(dǎo)致壓力容器運(yùn)行安全系統(tǒng)有所降低。

4.2 整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

通過將其對比就能夠了解到，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)和補(bǔ)強(qiáng)圈存在著不同，補(bǔ)強(qiáng)圈主要是對特定位置來進(jìn)行處理，而整體鍛件則是通過降低壓力容器自身強(qiáng)度的方法，來避免應(yīng)力集中。所以，這種方法的補(bǔ)強(qiáng)效果要好于補(bǔ)強(qiáng)圈。根據(jù)相關(guān)研究就能夠發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)過程中，整體鍛件的要求更高，特別是在二者過渡之間，如果沒有合理地進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，那么就會嚴(yán)重地影響最終的補(bǔ)強(qiáng)效果，甚至直接影響壓力容器的正常使用。因此，在利用這種補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)過程中，就應(yīng)該先保證壓力容器補(bǔ)強(qiáng)的合理，提高壓力容器的開孔可靠性，保證整體鍛件的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)都能夠在合理范圍內(nèi)，更好地發(fā)揮整體鍛件的作用，保證壓力容器的質(zhì)量。但是，需要注意的就是整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)方法，很容易受到外界因素的影響，在對壓力容器外壁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的時(shí)候，容易導(dǎo)致壓力容器外壁不平穩(wěn)。雖然，這種補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法具有很好的補(bǔ)強(qiáng)效果，但是，因?yàn)闀艿酵饨缫蛩氐挠绊憽Ｋ裕趹?yīng)用上有著較大的難度，而且所需要投入的成本也比較高，一些單位并不會利用這種方法。

4.3 厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)

這種補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在應(yīng)用過程中，需要選擇正確的后壁接管材料，一般情況下會根據(jù)壓力容器的材料情況來進(jìn)行選擇，所明確的材料強(qiáng)度應(yīng)該能夠和母體相同，確保其范圍不能夠過高，也不能夠過低。因?yàn)槿绻^高，那么就會影響最終焊接質(zhì)量，而如果過低的話，就會導(dǎo)致接管流通面積受到影響，這樣就使得最終在焊接完成后，其壓力有所下降，影響后續(xù)的使用。可以在這其中利用無縫鋼管的方法來更好地避免這一問題。在發(fā)現(xiàn)壓力容器壓力較高的時(shí)候，那么就可以利用整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)方法，如果是壓力較低，那么就可以利用后壁接管補(bǔ)強(qiáng)方法。

5 結(jié)語

總而言之，在壓力容器設(shè)計(jì)過程中，開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是其中的重要內(nèi)容，最終的設(shè)計(jì)效果就影響壓力容器的正常使用。所以，在進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)過程中，就應(yīng)先了解壓力容器的情況，并且使用正確的開孔補(bǔ)強(qiáng)方法，進(jìn)而避免因?yàn)閼?yīng)力集中而導(dǎo)致壓力容器的外壁受到損壞。通過對不同開孔補(bǔ)強(qiáng)方法的應(yīng)用，就能夠更好地提升壓力容器的設(shè)計(jì)質(zhì)量，發(fā)揮開孔補(bǔ)強(qiáng)最大的性能，為后續(xù)壓力容器的檢修提供幫助，也能夠確保生產(chǎn)的順利進(jìn)行。