浅谈开孔补强设计在压力容器设计中的应用

浅谈开孔补强设计在压力容器设计中的应用

石鼎宇

江苏省特种设备安全监督检验研究院镇江分院江苏省镇江市212000

摘要：在压力容器中实施开孔操作，很容易导致设备整体结构性能发生转变，包括局部应力增大以及强度削弱，从而在运行中产生较多的安全隐患。因此，为了补充容器开孔削弱的强度，减少局部应力峰值，开孔补强设计显得尤为重要。

关键词：开孔补强设计；压力容器设计

1开孔补强结构

1.1基本概念

开孔补强即压力容器壳体开孔之后，因为承载面积减小，使得开孔边缘应力增大且强度削弱，为了消除这种影响，就必须针对压力容器开孔所造成的强度削弱进行弥补。压力容器开孔补强必须考虑到开孔位置、开孔数量等各方面的因素影响，然后根据容器设计具体要求实施局部补强或者整体补强，局部补强可选用整锻件、厚壁管以及补强圈等方法进行补强。

1.2开孔补强选择

在压力容器开孔补强设计过程中，要根据开孔位置、开孔数量以及开孔方式等条件，依照相关标准及实际情况选择最适宜的补强方法。比如对于低合金高强度钢制容器开孔补强则需采用补强圈局部补强可获得良好补强效果。采用补强圈进行补强，必须注意在补强过程中选择补强板的厚度，一般而言，补强圈的厚度应不大于壳体开孔处名义厚度的1.5倍。因为补强板太厚会由于形状突变造成局部应力增大，增加焊接变形和缺陷，吸收热膨胀能力下降等不利因素。若对于严格要求局部补强或不适用补强圈进行补强，常会采用整体补强来提升容器的使用性能。开孔补强技术在应用过程中涉及到很多方面，若要实现开孔补强设计在压力容器中获得良好效果，则需要从多个方面考虑补强技术的具体应用和适宜条件。另外在补强焊接时还应注意选择性能优良的焊接材料，尽可能减少其它外部因素的影响。

2压力容器设计中的开孔补强理论分析

现行的压力容器开孔补强设计主要采用GB150-2011和JB/T4736-2002等标准，规定可以利用等面积法对容器本体的开孔及其补强计算。等面积法适用于压力作用下壳体和平封头上的圆形、椭圆形、或长圆形开孔。根据适用范围还可分为单个开孔和多个开孔。其基本原理在于：邻近的开孔位置进行有效补强范围等于或者大于压力容器壳体因为开孔削弱的面积。在有效补强范围内，可作为补强的截面积利用公式表示为：A1+A2+A3+A4≥A···（1）。式子之中，A1表示壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。A2则表示接管有效厚度减去计算厚度外多余面积；A3表示焊缝金属截面积；A4代表有效补强范围内另增加的补强面积；A则代表开孔削弱所需要的补强截面积。目前针对压力容器开孔补强设计相关研究及理论越来越多。而对于压力容器开孔补强的研究方法当前主要有：薄壳理论、有限元解、实验研究三种。这些研究方法均经过了很多学者的验证和运用，并且在实际操作中获取了一定研究经验。

3压力容器设计中开孔补强设计

在具体的实践操作中，通过综合考量开孔的数量、位置和压力容器的一些其他要求，可使用不同的开孔补强方法，大体可以分为以下两种。

第一，整体补强。这种补强方法操作较简单，适用的补强位置广泛。适用于面积较大的开孔，在一些局部操作受限制的特殊容器中也可考虑采用整体补强的方法。采用整体补强，可以大大节约补强耗材，具有明显的优势。

第二，局部补强。由于局部补强针对压力容器的某个特定的开孔进行，补强工作的操作面积小，这种补强方法具有较强的针对性。相较于整体补强，局部补强是通过有针对性补强操作补充压力容器壁上的开孔强度，可节约工作成本，缩短工作时间。这种补强方法的应用范围比整体补强更大。

4不同的开孔补强方法在压力容器设计过程中的应用

开孔补强就是将开孔处的强度加以补充，提高开口处的强度等级，从而更好地改善被开孔压力容器的稳定性和整体质量。实际生产和应用中，开孔补强的设计应用一般分为以下三种。

4.1补强圈补强设计在压力容器设计过程中的应用

在容器开孔的周围通过贴焊一圈钢板进行补强的方法较为常见，常见的补强圈补强设计一般采用两种模式，如图1所示。

目前，补强圈的生产和使用已标准化。在选择和使用补强圈时要注意：1）应使用与容器壁相同的材料；2）补强圈与壳体之间要紧密贴合；3）为了检验焊缝的紧密性，补强圈上还应有一个泄漏信号指示孔。具体的补强圈设计尺寸可参照相关的标准，也可依据等面积补强的原则计算。应注意的是，当补强圈的厚度大于等于8mm时，应将其全部焊透，才能使补强圈与容器壁一同受力，否则就失去了补强的意义。补强圈补强时，放置于压力容器的器壁内外表面都可以，但通常为焊接方便，一般将补强圈放置在容器壁外侧进行单面补强。

图1常见的补强圈补强设计采用的两种模式

由于补强圈具有结构简单，制造简便的特点，应用较为广泛。但同时，补强圈补强后，由于补强圈与壳体间有一层静止的气隙存在，传热效果差，导致二者间温差与热膨胀差增大，易产生温差应力。补强圈与压力容器器壁相焊时，使此处的刚性变大，对角焊缝的冷却收缩起较大的约束作用，故容易在焊缝处造成裂纹。特别是高强度钢淬硬性大，对焊接裂纹比较敏感，更易开裂。另外补强圈与压力容器壁焊接时，由于形成的结构不是整体受力，因而导致整体的抗疲劳性能下降。因此，根据GB150.3-2011采用该结构补强时，应符合下列规定：

1）低合金钢的标准抗拉强度下限值Rm＜540MPa；

2）补强圈厚度小于或等于1.5倍壳体开孔处的名义厚度；

3）壳体名义厚度小于等于38mm。

4.2整体锻件补强设计在压力容器设计过程中的应用

与补强圈的特定部位补强不同，整体锻件补强方法是将补强金属集中于开孔应力最大部位，使得应力集中系数变小，其焊接方式为对接焊，且焊缝及热影响区远离最大应力位置，故抗疲劳性能良好，补强效果显著增强。但这种方法对于整体锻件和压力容器壁的过渡部位要求更严格，两者之间必须全焊透，这一过程比较复杂难以控制，加上机械加工量大，锻件来源不便，不可避免地提高了生产加工成本。所以，对于整体锻件补强设计通常是在压力容器使用环境相对恶劣或对于容器补强精度要求较为严格、苛刻的压力容器的设计中。

4.3厚壁接管补强设计在压力容器设计过程中的应用

厚壁接管补强应用中，正确选择厚壁接管材料是关键，一般会遵循压力容器的材料特征和使用条件进行选择。若选择的材料强度等级过高就会影响焊接的质量，导致补强后的整体效果不佳；若选择强度等级较低的接管材料，虽然可以通过增加接管壁的厚度，确保补强达到效果，但会增加过多工序，使得开孔补强效果难以得到控制。故在实际应用中，可通过使用无缝钢管或锻件加工最大限度地减少加工误差带来的不利影响。当设计的容器压力较高水平时，一般采用整体锻件的加工方法，相反，设计容器的压力水平较低时，可采用无缝接管补强方法。

5结束语

在压力容器设计中，开孔补强设计是一个关键环节。相比整体补强，局部补强设计更具针对性，而其三个主要内容，在压力容器设计中的应用呈现出不同的优势。设计人员应根据实际需求，科学的、有针对性的选择最佳补强设计方法，使其功能得以充分发挥。

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