壓力容器設(shè)計(jì)中補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的選擇及運(yùn)用

王 村，岳東陽

（江蘇四方鍋爐有限公司，江蘇 徐州 221142）

由于生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的需要，通常需要在壓力容器的殼體上開孔。開孔不但消弱了殼體對(duì)壓力的承載能力，而且在開孔附近處，會(huì)產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力。為使開孔處應(yīng)力下降到允許范圍內(nèi)，需要對(duì)開孔處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。殼體的開孔補(bǔ)強(qiáng)，有補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)和整體補(bǔ)強(qiáng)兩種結(jié)構(gòu)形式。

1 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)形式

補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)俗稱“貼板補(bǔ)強(qiáng)”，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

其優(yōu)點(diǎn)在于：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)豐富，應(yīng)用普遍。

缺點(diǎn)是：與殼體金屬間不能完全貼合，熱量傳遞效果差，在溫度較高場(chǎng)合使用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的溫差應(yīng)力；與殼體的連接形式為搭接，抗疲勞性能差。

圖1 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式

這種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，一般使用在非疲勞載荷、常溫、中低壓、材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值不大于540 MPa、補(bǔ)強(qiáng)圈厚度不大于1.5倍開孔處殼體名義厚度、殼體厚度不大于38 mm、承裝介質(zhì)為非極度、高度危害的場(chǎng)合。

JB/T 4736-2002標(biāo)準(zhǔn)中，給出的補(bǔ)強(qiáng)圈的最大厚度為30 mm，在選擇補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的時(shí)候，設(shè)計(jì)采用該標(biāo)準(zhǔn)中的補(bǔ)強(qiáng)圈，卻標(biāo)注出32 mm、34 mm的補(bǔ)強(qiáng)圈厚度，或在制造過程中“以厚代薄”的材料代用，也經(jīng)常出現(xiàn)這類超厚度范圍的問題。

按GB150中8.4.1的適用范圍，當(dāng)殼體的名義厚度是38 mm時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)圈厚度最厚可以是1.5×38=57 mm，顯然JB/T4736-2002中對(duì)補(bǔ)強(qiáng)圈的允許厚度，遠(yuǎn)小于GB150中的規(guī)定。如果只是遵照GB150的要求是不夠的。

在設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到設(shè)計(jì)人員對(duì)公稱直徑50 mm的接管選用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)，由于補(bǔ)強(qiáng)圈外徑太小，導(dǎo)致補(bǔ)強(qiáng)圈的外圈和里圈的焊接接頭的熱影響區(qū)重合，甚至由于內(nèi)外圈焊縫太近，而發(fā)生檢漏孔被焊縫堵死的情況。這種設(shè)計(jì)是不合理的。如果必須用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)，可以參照標(biāo)準(zhǔn)中DN50的補(bǔ)強(qiáng)圈的結(jié)構(gòu)尺寸，選取合理的焊接接頭型式，適當(dāng)放大補(bǔ)強(qiáng)圈外徑。這樣就可以避免上述情況的發(fā)生。

采用JB/T 4736-2002標(biāo)準(zhǔn)推薦的補(bǔ)強(qiáng)圈時(shí)，按該標(biāo)準(zhǔn)要求應(yīng)設(shè)有1個(gè)M10螺紋孔，并應(yīng)將螺紋孔放在最低位置。其作用有：檢查補(bǔ)強(qiáng)圈焊接接頭品質(zhì)、焊接時(shí)排氣、使用過程中檢漏。當(dāng)不是采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的補(bǔ)強(qiáng)圈時(shí)，有時(shí)會(huì)不設(shè)置螺紋孔。曾經(jīng)發(fā)生過由于不設(shè)置螺紋孔，導(dǎo)致設(shè)備在熱處理后補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體的連接焊縫被撕裂的情況。

2 整體補(bǔ)強(qiáng)形式

整體補(bǔ)強(qiáng)有3種形式：增加殼體厚度的補(bǔ)強(qiáng)、厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)、整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)。

由于增加殼體厚度的補(bǔ)強(qiáng)方法，會(huì)較大地增加生產(chǎn)成本，一般很少采用。主要采用后兩種補(bǔ)強(qiáng)方法。若條件許可，對(duì)重要容器盡量以厚壁管或整體鍛件等結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。其補(bǔ)強(qiáng)效果不僅優(yōu)于補(bǔ)強(qiáng)圈，而且應(yīng)用更加廣泛，在高溫、低溫、交變載荷、應(yīng)力腐蝕敏感、介質(zhì)為極、高度危害、殼體材質(zhì)為高強(qiáng)度鋼等補(bǔ)強(qiáng)圈不適宜的場(chǎng)合，都可以采用。

2.1 厚壁管補(bǔ)強(qiáng)辦法

結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。其優(yōu)點(diǎn)，是補(bǔ)強(qiáng)處于最大應(yīng)力區(qū)域，比補(bǔ)強(qiáng)圈能更好的降低應(yīng)力集中系數(shù)；厚壁管補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、檢驗(yàn)方便，補(bǔ)強(qiáng)效果較好。

圖2 厚壁管補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式

高強(qiáng)度低合金鋼制壓力容器或一些高壓容器，一般都采用該結(jié)構(gòu)，但必須要保證全焊透。

采用SW6計(jì)算軟件進(jìn)行厚壁管補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)，當(dāng)計(jì)算程序要求輸入接管外伸長(zhǎng)度時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)以下錯(cuò)誤：

（1）將L值當(dāng)做接管外伸長(zhǎng)度；

（2）將已削邊的厚壁管外伸總長(zhǎng)度(L1+L2)當(dāng)做接管外伸長(zhǎng)度。

由于法蘭主要是起到對(duì)外連接密封的功能，自身要承受軸向、徑向、環(huán)向等應(yīng)力，受力復(fù)雜，而且設(shè)計(jì)法蘭時(shí)并未考慮補(bǔ)強(qiáng)因素，如果要其參與到補(bǔ)強(qiáng)中來，這樣會(huì)使法蘭受力更加復(fù)雜，難以計(jì)算法蘭的受力情況(圖 3)。

圖3 法蘭受力形式

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，當(dāng)厚壁管厚度δ與法蘭直邊段厚度s相差過大時(shí)，需要對(duì)厚壁管進(jìn)行削邊，削邊長(zhǎng)度L2應(yīng)不小于3倍差值，此時(shí)厚壁管外伸部分并不是等厚的，若還是將其實(shí)際外伸部分當(dāng)做接管外伸長(zhǎng)度，就可能會(huì)出現(xiàn)實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)面積不夠，而補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算卻通過的情況。既簡(jiǎn)單又保守的辦法，是把L1作為接管外伸長(zhǎng)度。

2.2 整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)辦法

將接管與部分殼體以及補(bǔ)強(qiáng)部分做成整體鍛件，然后與殼體和接管焊接，如圖4所示。其優(yōu)點(diǎn)，是補(bǔ)強(qiáng)金屬集中于開孔最大應(yīng)力區(qū)，能做到最有效的降低開孔處的應(yīng)力集中系數(shù)。而且全部焊接接頭能成為對(duì)接焊，易于探傷，能保證焊接品質(zhì)，并且使焊縫及熱影響區(qū)離開最大應(yīng)力點(diǎn)。

這種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能最好，疲勞壽命僅降低10%～15%。但是這種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)由于鍛件供應(yīng)困難，制造煩瑣，成本較高，一般只用于重要場(chǎng)合，如高壓容器、核容器以及材料的屈服強(qiáng)度在500 MPa以上的設(shè)備等。

圖4 整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式

計(jì)算開孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，還應(yīng)考慮殼體的有效補(bǔ)強(qiáng)范圍，比如一臺(tái)直徑1 000 mm的換熱器，腐蝕裕量為1 mm，管箱筒節(jié)長(zhǎng)度為700 mm，管箱筒節(jié)上有一個(gè)開孔，接管Φ 426 mm×10 mm，在用SW6計(jì)算開孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，計(jì)算軟件給出的的殼體補(bǔ)強(qiáng)寬度為821 mm，如果在計(jì)算時(shí)不將補(bǔ)強(qiáng)寬度按實(shí)際尺寸700 mm修正，就有可能造成計(jì)算通過，而實(shí)際上補(bǔ)強(qiáng)面積不夠的假象。

由開孔所產(chǎn)生的局部應(yīng)力，具有明顯的局部性，離開孔位置越遠(yuǎn)，衰減越迅速，在距離開孔邊緣等于孔半徑的位置上，其應(yīng)力水平一般僅比平均值增大20%左右。為了更有效地對(duì)開孔處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，補(bǔ)強(qiáng)材料應(yīng)盡量靠近開孔處，使開孔補(bǔ)強(qiáng)所需面積的2/3分布在距離開孔邊緣的d/4范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語

開孔補(bǔ)強(qiáng)是壓力容器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到設(shè)備投產(chǎn)后的安全運(yùn)行。每種補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)者應(yīng)該具體問題具體分析，爭(zhēng)取做到所選補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，既能達(dá)到最佳補(bǔ)強(qiáng)效果，又能最大限度地節(jié)約成本，達(dá)到事半功倍的效果。

[1]GB150-1998，鋼制壓力容器[S].

[2]HG20583-1998，鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定[S].

[3]蘇文獻(xiàn)，馬 寧.薄壁容器大開孔的新型補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)[J].壓力容器，2009，（11）：30-33，45.

[4]鄭津洋，董其伍，桑之富.過程設(shè)備設(shè)計(jì)（第二版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[5]張洪偉.圓柱殼大開孔應(yīng)力分析研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2003.

[6]章姚輝.管殼式換熱器的三維有限元分析[D].北京：北京化工大學(xué)，2003.

[7]張衛(wèi)義.內(nèi)壓圓柱形壓力容器大開孔率開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力集中系數(shù)規(guī)律的研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2000.