開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析

劉亞明

（宜興市格蘭特干燥濃縮設備有限公司，江蘇 宜興 214200）

壓力容器的設計中，在壓力容器的容器壁上開孔對于壓力容器的設計制造過程是必不可少的。經常開孔是為了在壓力容器上安裝接管作為壓力容器功能的需要，或在壓力容器的容器壁上開孔為了方便壓力容器的維修、維護，或是設備調試、安裝的需要。然而，在壓力容器的容器壁上開孔無疑會使壓力容器的整體結構強度受到影響，降低了壓力容器承受壓力的能力，從而使壓力容器的局部應力存在斷層差異。而對已需要在容器壁開孔或接管的部位，局部應力差更高，對于壓力容器的承力強度造成了很大影響。此外，由于壓力容器長期在高溫高壓環境下工作，開孔和接管等的連接處在高溫高壓環境下的局部應力不連續的影響被無限放大，同時由于制造材料上的缺陷等綜合因素的影響，壓力容器極易在開孔處發生失效甚至破損，嚴重影響了壓力容器的安全性能。因此按照國家壓力容器設計制造規范《壓力容器》（GB150-2011）中的規定，必須對壓力容器的開孔做補強設計。

一 補強圈補強設計在壓力容器中的應用

局部補強是設計壓力容器開孔補強的主要手段之一，其中采用補強圈補強設計被壓力容器補強設計廣泛利用。補強圈補強的方法是通過在壓力容器的容器壁上焊接補強板，從而增加開孔處容器壁的金屬厚度，達到增加金屬開孔邊緣的強度實現開孔補強目的。考慮到壓力容器加工制造過程中，從容器壁的外部焊接補強板比在容器內部焊接補強板更具操作性，因此通常在壓力容器容器壁的外部焊接補強板，并且實驗證明在容器壁的外部焊接補強板對于容器的抗疲勞強度效果的提升更具優勢。

采用補強圈局部補強的方式進行開孔補強設計時，應當注意以下幾點：首先，對于開孔補強設計的補強板的厚度設計必須有嚴格的選擇。通常情況下，補強板的厚度不應當超過容器開孔處名義厚度的1.5倍，實際操作中的經驗表明，如果補強板的厚度超過容器開孔處名義厚度的1.5倍，焊接時，由于厚度過大，焊接角必然增大，由此導致不連續應力過大。同時補強板選用的鋼材必須有較好的塑性和延展性，選用的補強板的鋼材的屈服強度ReL在常溫狀態下一般應不大于400兆帕。其次，對于以下情況不宜使用補強圈補強方式：對于腐蝕性較強和氧化性較強以及溫差變化較大的使用環境下的壓力容器不宜采用補強圈補強方式；同時對于承受載荷變化較大也不宜采用補強圈補強方式。由于用作補強的金屬都直接處在開孔峰值應力區域，補強效果很好，故常使用于低合金高強度鋼容器的開孔補強。對于要求較高的容器或局部補強形式不適合的開孔補強，應采用整體補強。

二 厚壁接管補強設計在壓力容器設計中的應用

厚壁接管補強也是壓力容器設計中開孔補強的主要方法之一。厚壁接管的材料選擇是補強設計的首要步驟，厚壁接管補強設計的材料應當根據殼體材料的特性和使用條件來選擇。通常情況下，厚壁接管補強設計中選擇的補強材料與壓力容器殼體材料應當相同或屬于同一類，以保證金屬特性和強度相同。GB 150.3-2011第6章開孔和開孔補強中規定，開孔所需的補強面積為

接管有效補強面積為

式(1)、(2)中fr為強度削弱系數，它等于設計溫度下接管材料與殼體材料許用應力之比值，當該比值大于1.0時，取其值為1.0。

根據國家標準中的公式可見，在進行厚壁接管補強時，選擇強度等級高于母材殼體的接管材料對于補強效果不僅沒有正面影響反而有負面影響，這是因為選擇強度較高的接管材料，對焊接效果會產生不利影響，從而影響了整體補強結構的性能。同時，選用強度等級比母材殼體低的接管材料，必須要增加一定的接管壁厚才能保證補強效果，同時還應當減少接管流通面積，這樣對焊接效果也有一定的負面影響，因此也不利于整體補強效果的提升。而在厚壁補強設計中可采用無縫鋼管或鍛件加工制作，以減少加工誤差導致的負面影響，當設計壓力不高，補強要求所需要的壁厚不大時采用無縫鋼管；而當設計壓力要求較高，補強要求的壁厚較大時，則應當選用鍛件加工來滿足補強需求。

三 整體鍛件補強設計在壓力容器設計中的應用

開孔補強設計的基本要求是通過補強金屬加強殼體因開孔引起的強度削弱的效應，同時通過補強不引起新的應力集中。[1]同等條件下整體鍛件補強結構使殼體應力水平降低的程度最大，沒有產生新的應力大點。因此相對于補強圈補強和接管補強設計而言，整體鍛件的補強設計在壓力容器的補強效果中是最好的。但整體鍛件補強與殼體的過渡要求比補強圈要嚴格，必須保證殼體和整體鍛件平緩過渡，避免在過渡區殼體一側產生應力集中。在實際加工制造過程中，由于整體鍛件補強方法對于過渡焊縫的要求過高，因此導致加工難度增大，加工成本過高。對于設計精度要求較高和使用環境惡劣的壓力容器補強設計才采用整體鍛件補強法。

四 結論

開孔補強設計作為壓力容器設計的重要組成之一，為避免開孔對容器壁強度的破壞和避免在殼體與連接處產生過高的局部應力集中，應當重視開孔補強設計的應用和研究，減少開孔對壓力容器帶來的安全隱患，提高壓力容器的可靠性和安全性。

[1]路智敏，趙利利.圓柱殼開孔補強結構的有限元分析[J].內蒙古工業大學學報(自然科學版)，2007；（04）.

[2]GB 150.3-2011,壓力容器[S].

[3]柏文廣，劉宜國.淺析壓力容器開孔補強設計方法[J].化學工程與裝備，2009（11）.