開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要：在對(duì)壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)工作極為重要，這一環(huán)節(jié)的工作質(zhì)量將會(huì)對(duì)整個(gè)容器設(shè)計(jì)質(zhì)量產(chǎn)生直接性的影響。文章首先對(duì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的重要性進(jìn)行了闡述說(shuō)明，之后著重對(duì)其在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及具體的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行了分析研究，以此幫助有效提升整個(gè)容器設(shè)計(jì)的質(zhì)量水準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)；補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)；整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)；厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TQ050 文章編號(hào)：1009-2374（2015）09-0030-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0770

壓力容器在其設(shè)計(jì)中，為了將自身的使用功能進(jìn)行最大化的發(fā)揮，需進(jìn)行適當(dāng)?shù)拈_(kāi)孔處理。但是不可否認(rèn)的是，開(kāi)孔處理將會(huì)對(duì)容器造成一定的損傷，對(duì)其牢固度將會(huì)形成一定的不利影響，針對(duì)此類問(wèn)題的出現(xiàn)，相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)便是對(duì)其所帶來(lái)的不利影響進(jìn)行較為科學(xué)妥善的處理。

1 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的重要性

在進(jìn)行壓力容器設(shè)計(jì)時(shí)，開(kāi)孔處理操作極為常見(jiàn)。在通過(guò)狀況之下，開(kāi)孔處理主要是為后期的接管安裝提供便利，對(duì)容器的功能性需求予以滿足。有時(shí)為了對(duì)整個(gè)壓力容器進(jìn)行全面維修、養(yǎng)護(hù)、調(diào)試，也需進(jìn)行開(kāi)孔處理。而開(kāi)孔處理會(huì)對(duì)整個(gè)容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其使用性能產(chǎn)生一定的不利影響，通常會(huì)使得容器整體的抗壓性遭到削弱。此種情況出現(xiàn)的主要原因?yàn)椋涸陂_(kāi)孔處理后，壓力容器內(nèi)部存在的應(yīng)力出現(xiàn)了斷層差異。而在開(kāi)孔處進(jìn)行接管，也會(huì)使得容器內(nèi)部出現(xiàn)受力不均的狀況。另外大部分的壓力容器應(yīng)用于一些溫度、壓力均高的環(huán)境之下，應(yīng)力、受力不均問(wèn)題更為突出，再加上受到一些容器材料等多種因素的影響，整個(gè)容器性能將會(huì)受到極大的損害。在容器的應(yīng)用工作中，其工作質(zhì)量、效率也較差。所以，在對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范內(nèi)容充分理解、遵守的前提之下，對(duì)容器進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)極為重要。

2 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

在開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)處理中，局部補(bǔ)強(qiáng)方式應(yīng)用較多，其中補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)應(yīng)用范圍較廣。補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)主要是指在壓力容器壁上進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)板的焊接處理，從而幫助進(jìn)一步增強(qiáng)整個(gè)容器板的金屬厚度，促使其開(kāi)孔邊緣強(qiáng)度得以增強(qiáng)，最終達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)目的。

在補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)方式應(yīng)用中，有兩點(diǎn)問(wèn)題需著重關(guān)注：第一，補(bǔ)強(qiáng)板的設(shè)計(jì)厚度需嚴(yán)格要求。一般情況下，補(bǔ)強(qiáng)板的厚度值與整個(gè)容器的開(kāi)孔名義厚度值相比，應(yīng)不超過(guò)其1.5倍。大量的實(shí)踐結(jié)果表明，如果補(bǔ)強(qiáng)板的厚度值大于開(kāi)孔名義厚度的1.5倍，那么在進(jìn)行焊接處理時(shí)，極易因?yàn)楹穸冗^(guò)大而增大器焊接角，最終導(dǎo)致出現(xiàn)不連續(xù)應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題。另外，在進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)板材料需具有極強(qiáng)的塑性、延伸性，且其鋼材的屈服強(qiáng)度在常溫環(huán)境下應(yīng)保持在400MPa范圍內(nèi)。第二，在一些情況下不宜運(yùn)用此種補(bǔ)強(qiáng)方式。相關(guān)容器的使用環(huán)境為腐蝕性、氧化性較強(qiáng)及溫差較大的狀態(tài)下。另外，在載荷變化量較大的情況之下補(bǔ)強(qiáng)圈方式也不應(yīng)進(jìn)行應(yīng)用。對(duì)于一些使用標(biāo)準(zhǔn)較高、局部補(bǔ)強(qiáng)不宜運(yùn)用的補(bǔ)強(qiáng)處理，應(yīng)對(duì)其采取整體補(bǔ)強(qiáng)方式。

2.2 整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)主要為：能夠使得整個(gè)壓力容器的外殼應(yīng)力值減到最小，幾乎可以說(shuō)是不會(huì)出現(xiàn)新應(yīng)力點(diǎn)，從而獲取到最大化的補(bǔ)強(qiáng)效果。但是，此種補(bǔ)強(qiáng)方式在其應(yīng)用中，其客觀因素限制較多。其中較為突出的一點(diǎn)便是，對(duì)于殼體的過(guò)渡需確保其平緩度。對(duì)于過(guò)渡中存在著的某一點(diǎn)過(guò)多應(yīng)力需嚴(yán)格預(yù)防控制。大量的實(shí)踐結(jié)果表明，整體補(bǔ)強(qiáng)方式的整體效果較好，但是由于其對(duì)客觀因素存在諸多要求，因此想要的施工操作難度較大，投入成本較高，相應(yīng)的施工技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn)也大幅度提升。如果存在任何一項(xiàng)客觀條件未達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的情況，則會(huì)對(duì)整個(gè)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)效果產(chǎn)生極為不利的影響。

2.3 厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)也是極為常見(jiàn)的一種補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)。在此種補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的設(shè)計(jì)中，需著重關(guān)注的一點(diǎn)便是對(duì)其材料的科學(xué)選取。通常狀況之下，厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)材料需與容器的殼體材料較為一致或是相似度較高。如此一來(lái)，才能夠確保整個(gè)金屬性能具有極佳的協(xié)調(diào)性。如果在設(shè)計(jì)中存在著殼體材料與補(bǔ)強(qiáng)材料不相同的情況，應(yīng)分類型對(duì)其進(jìn)行妥善處理。如果補(bǔ)強(qiáng)材料的應(yīng)力較小，那么可將補(bǔ)強(qiáng)面積進(jìn)行科學(xué)合理的增大調(diào)整處理，從而有效解決其應(yīng)力不足的問(wèn)題。而如果是補(bǔ)強(qiáng)材料的應(yīng)力較大，則應(yīng)將補(bǔ)強(qiáng)面積進(jìn)行減小化處理，從而確保其應(yīng)力值較為平衡。在將容器進(jìn)行開(kāi)孔處理后，其邊緣處的局部應(yīng)力將會(huì)增大，依照其分布規(guī)律，在距開(kāi)孔邊緣較遠(yuǎn)處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理，則能夠使得整個(gè)容器應(yīng)力恢復(fù)至正常范圍內(nèi)。為了最大化將補(bǔ)強(qiáng)材料性能進(jìn)行發(fā)揮，其焊接位置應(yīng)選取一些高應(yīng)力處，也就是指有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域。

在對(duì)厚度接管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理時(shí)，如果其相關(guān)材料強(qiáng)度值高于殼體的接管材料，對(duì)于整個(gè)容器的性能將會(huì)帶來(lái)極為不利的直接性影響。此種情況出現(xiàn)的主要原因可能為：接管的強(qiáng)度值越高，其焊接操作要求就越為嚴(yán)格，一旦在焊接中出現(xiàn)任何問(wèn)題，則極易使得工作效率及質(zhì)量遭受較大的不利影響，整個(gè)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)受到破壞。另外，在接管材料的強(qiáng)度值要小于殼體材料時(shí)，為了將其補(bǔ)強(qiáng)效果進(jìn)行提升，需對(duì)接管壁厚進(jìn)行加大處理，對(duì)整個(gè)接管的流通面積進(jìn)行科學(xué)合理的控制，將焊接操作的難度值盡可能地降到最低，進(jìn)一步加強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)成效。在厚壁補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中，可運(yùn)用無(wú)縫鋼管、鍛件加工的方式將加工處理誤差值減到最小。無(wú)縫鋼管及鍛件加工的各自應(yīng)用狀況分別為：設(shè)計(jì)壓力低，補(bǔ)強(qiáng)壁厚小及設(shè)計(jì)壓力高，補(bǔ)強(qiáng)壁厚大。

3 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)具體設(shè)計(jì)

3.1 等面積補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)法

在對(duì)壓力容器進(jìn)行對(duì)齊補(bǔ)強(qiáng)處理時(shí)，通常會(huì)采用此種補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方式，其應(yīng)用的基本原理為：在一個(gè)有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域中補(bǔ)強(qiáng)材料的橫截面積需不小于開(kāi)孔損失面積。如此一來(lái)，便能夠使得容器殼體結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度得以維持平衡。相關(guān)理論模型其實(shí)可以被看作是一個(gè)面積不受限制的平板開(kāi)孔，且不會(huì)出現(xiàn)因過(guò)多彎曲而造成的大偏差問(wèn)題。小直徑的開(kāi)孔其安全性較強(qiáng)。關(guān)于文中所提到的有效補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域，拿圖1作為例子便是指由WXYZ四點(diǎn)構(gòu)成的矩形。

圖1 等面積補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)法示意圖

3.2 分析設(shè)計(jì)法

分析設(shè)計(jì)法主要是指GB150.3-2011中提到的一種新型補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方式，其計(jì)算方式主要分為兩種。第一種，對(duì)等效應(yīng)力進(jìn)行校對(duì)核算處理，之后計(jì)算出開(kāi)孔處的等效薄膜應(yīng)力強(qiáng)度S1及總應(yīng)力S2，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)評(píng)定處理。第二種，補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，此種設(shè)計(jì)方式主要是指對(duì)GB150.3-2011中的設(shè)計(jì)規(guī)范原則嚴(yán)格遵循分析的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)最小的設(shè)計(jì)尺寸。

分析設(shè)計(jì)法的模型是將接管與殼體假定為一個(gè)整體性的結(jié)構(gòu)，所以在其應(yīng)用中，需對(duì)焊接頭的焊透性及其質(zhì)量進(jìn)行全面確保。此種方式的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的提出確定主要是將塑性極限、安定分析作為基礎(chǔ)，全面確保在一次加載時(shí)能夠具備充分的塑性承載及反復(fù)加載力，以此為開(kāi)孔操作的安全性提供保障。在分析設(shè)計(jì)法的應(yīng)用中，疲勞及外壓設(shè)計(jì)不宜應(yīng)用，主要的應(yīng)用范圍為圓柱殼的徑向開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)，而且對(duì)于接管與殼體的厚壁比值有一定的要求，確保其始終保持在0.5～2.0范圍內(nèi)。

3.3 不另行補(bǔ)強(qiáng)

在不另行補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)用中，需滿足以下六個(gè)要求：第一，整個(gè)設(shè)計(jì)壓力不大于2.5MPa。第二，兩個(gè)彼此相鄰的開(kāi)孔器中心間距至少應(yīng)等于兩個(gè)開(kāi)孔的直徑相加值。而對(duì)于一些3個(gè)及更多個(gè)相鄰開(kāi)孔，其兩孔中心間隙值至少應(yīng)等于兩孔直徑和的2.5倍。第三，接管外徑值應(yīng)不大于89mm。第四，接管壁厚的腐蝕裕量值應(yīng)為1mm，如果需對(duì)此值進(jìn)行加大處理，相應(yīng)的需將壁厚值進(jìn)行增加處理。第五，開(kāi)孔位置不應(yīng)處于A、B兩類焊接接頭之上。第六，開(kāi)孔處理中應(yīng)用到的鋼材材料其抗拉度不小于540MPa時(shí)，接管、殼體之間的連接應(yīng)運(yùn)用全焊透的結(jié)構(gòu)。除去以上所述的不另行補(bǔ)強(qiáng)狀況，還有一種情況下，也實(shí)行不另行補(bǔ)強(qiáng)。當(dāng)整個(gè)壓力容器的有效殼體厚度不小于其計(jì)算厚度值的2倍，殼體的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)也可不必進(jìn)行計(jì)算。此結(jié)論的提出主要是通過(guò)運(yùn)用等面積補(bǔ)強(qiáng)法進(jìn)行推理導(dǎo)出的，其應(yīng)用范圍為一些要求標(biāo)準(zhǔn)較低的換熱器設(shè)計(jì)中。在此種情況下，為了對(duì)整個(gè)設(shè)備的剛性進(jìn)行確保，對(duì)于其殼體最低厚度值提出了一定的要求，有時(shí)厚度值將會(huì)比相應(yīng)的計(jì)算值大出一倍多。

4 結(jié)語(yǔ)

在壓力容器設(shè)計(jì)中，開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)在其中占據(jù)著極為重要且關(guān)鍵性的作用，為了盡可能地避免因開(kāi)孔處理帶給整個(gè)容器壁強(qiáng)度的損害及過(guò)大的局部應(yīng)力集中問(wèn)題，需對(duì)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)問(wèn)題著重關(guān)注，將壓力容器應(yīng)用中的安全隱患徹底消除，進(jìn)一步增強(qiáng)整個(gè)容器的應(yīng)用安全性。通過(guò)對(duì)各種開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)應(yīng)用及具體的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析研究，能夠有效避免容器遭受過(guò)大的不必要損害，為其應(yīng)用質(zhì)量及性能提供極為全面的保障。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：劉英（1976-），女，福建松溪人，江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司工程師，研究方向：壓力容器設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：周 瓊）