開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析

鮮磊 張依妮（中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦 124010）

開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析

鮮磊 張依妮（中油遼河工程有限公司，遼寧盤錦 124010）

壓力容器是工業(yè)上常用于存放那些有毒有害、易燃易爆的工業(yè)高壓氣液體的容器。其表面和內(nèi)部的壓力分布，直接影響其使用中安全性、可靠性、穩(wěn)定性。因此，研究其壓力分布十分必要，壓力容器的開孔處存在三種應力分布，具有更為特殊性，是壓力容器壓力分析的典型代表。

開孔補強；壓力容器；應力；容器壁

隨著社會的發(fā)展，工業(yè)流程進一步復雜化，那些有毒有害、易燃易爆的工業(yè)高壓氣液體越來越需要存放安全性，穩(wěn)定性的保障。開孔作為一般壓力容器的結(jié)構(gòu)組成之一，尤為重要。壓力容器需要在設計過程中注意的問題就是開孔補強的設計。

1 開孔補強的相關(guān)概念

一般情況下，壓力容器都會有開孔工藝，開孔的目的主要是接管的安裝需要，還有就是為了進一步有效檢修的需要，平常維護的需要，開孔后，壓力容器的周應力將發(fā)生變化，需要重新考慮應力分布情況，肯定直接影響壓力容器的整體強度，為壓力容器造成威脅，對其安全、穩(wěn)定、可靠的保障造成直接影響，尤其是開孔的那部分區(qū)域存在著受力不均的問題，形成局部的高壓力和另一部分低壓力，使之差值逐漸拉大。另一方面，工業(yè)中的環(huán)境情況惡劣造成了壓力容器長期暴露在風吹日曬中，開孔部分更是容易造成腐蝕的地方，其安全性造成威脅，同時開孔處也是連接處，密封的整實性也是值得考驗的地方，容易造成破損，給壓力容器帶來更多的威脅因素。

在開孔補強的過程中，容器壁開孔區(qū)域處存在三種應力分布，部分薄膜、彎曲和峰值應力。［3］這三種應力是截然不同的三個類型的應力，很自然的，補償壓力的方式也是截然不同的，薄膜應力沿截面厚度均勻分布的應力成分，它等于沿所考慮截面厚度的應力平均值，由無力矩理論求解的殼體應力均為薄膜應力，且屬一次薄膜應力，根據(jù)有力矩理論計算，不連續(xù)應力中也含有薄膜應力分量，但屬二次應力，由于部分薄膜應力存在于壁厚的其中部分區(qū)域，一旦發(fā)生屈服就會出現(xiàn)局部壁厚的塑性變形，在壓力容器中，其危害性大于同等數(shù)值的彎曲應力。［2］彎曲應力簡單的說即彎曲產(chǎn)生的應力，彎曲應力分為正應力和切應力，峰值應力是由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應力的影響而疊加到一次加二次應力之上的應力增量，介質(zhì)溫度急劇變化在器壁或管壁中引起的熱應力也歸入峰值應力，應該從開孔對容器的破壞性和疲勞度方面進行考慮，彎曲應力則要提升容器的安定性。［2］

現(xiàn)在社會科技發(fā)展，針對這三種截然不同的應力有三種不同的設計方案和思路，確保壓力容器的安全可靠，下面逐一介紹。

2 開孔補強的設計思路及具體方法

第一種方法及思路：補強圈板設計，滿足彌補部分薄膜應力，也是開孔補強的主要方法，在這一領域經(jīng)常使用。［3］該種方法就是將補強板焊在壁內(nèi)，實質(zhì)就是增加部分區(qū)域的壁厚，從而增強開孔區(qū)域的器壁強度，削弱了部分薄膜應力的分布。壓力容器的生產(chǎn)中，將一塊鋼板焊在器壁外壁上比焊在內(nèi)壁更加容易操作，一般生產(chǎn)過程中，我們還是將其焊在容器壁外。

在進行補強圈開孔補強的設計過程中，我們要關(guān)心幾個方面：第一，補強板的尺寸性狀設計尤為重要，按照國家技術(shù)標準要求，其厚度小于開孔處厚度的一倍半，試驗證明，如果補強板的厚度超過開孔處的一倍半后，焊接難度增大，造成焊接熱應力導致的補強板變形，還有導致斷焊，不完全焊等問題；第二，長期存放腐蝕性介質(zhì)的壓力容器，外界環(huán)境溫差大的情況，不能使用補強板補強，對于開孔處存在扭矩或負載的情況不適合使用補強板補強

第二種方法及思路：厚壁接管補強，此種方法也是開孔補強的重要手段。［3］此種方法的第一項工作就是管體材料的選取，選取依據(jù)就是要和器壁材料一致，至少是屬于同一大類，這樣的話，材料特性及強度大致一樣，就算是發(fā)生了塑性變形，兩部分之間的連接處不存在走形開裂等問題。材料特性及強度選取強于壓力容器器壁的材料作為接管是錯誤的思路，這種影響是反面的，焊接時會發(fā)生塑性變形，由于接管與容器器壁材料的強度不一致，這種變形將造成焊接處開裂，甚至斷裂情況的發(fā)生。［4］接管的管體應選擇無縫鋼管或是鍛造材料制作，降低誤差產(chǎn)生，導致焊接出問題。無縫鋼管所承受壓力較好，適合于補強要求較高的壓力容器情況，鍛件材料較無縫鋼管承受壓力較低，補強要求不高時可以使用。

第三種方法及思路：整體鍛材補強設計，該種設計將壓力容器的整體應力全面削弱，而且此種方法最大的優(yōu)點就是沒有新的應力產(chǎn)生。［5］相比以上兩種方法思路，整體鍛材補強效果是比較理想的，在加工焊接鍛材與壓力容器開孔處時，焊接的要求比較嚴格，這樣的話經(jīng)濟效益下降，不利于節(jié)本增效。

3 結(jié)語

由于壓力容器中存放的是高壓氣（液）體，如果保管不當，很容易造成人員傷亡和財產(chǎn)損失等，所以每一個國家指派專業(yè)人員定期開展檢查其壓力耐受情況等。開孔作為一般壓力容器的結(jié)構(gòu)組成之一，尤為重要。壓力容器需要在設計過程中注意的問題就是開孔補強的設計。

［1］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）.

［2］國家安全監(jiān)督管理局.《安全工程大辭典》［M］.北京：化學工業(yè)出版社，1995.

［3］劉文娟.開孔補強方法在壓力容器設計中存在問題分析［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012，12.

［4］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）.

［5］付雙武.在壓力容器中的開孔補強結(jié)構(gòu)設計［J］.科技與企業(yè)，2014（3）.