壓力容器開孔補強結構設計

劉漢鵬，陸佳，丘永樑，高衛，陳麗艷

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壓力容器開孔補強結構設計

劉漢鵬，陸佳，丘永樑，高衛，陳麗艷

（中集安瑞科能源裝備（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215137）

在壓力容器設計過程中，開孔補強設計計算是至關重要的一個環節，對于開孔補強結構設計應考慮結構合理、制造方便、經濟實惠的原則，保證壓力容器安全性和實用性前提下，延長壓力容器使用壽命，降低壓力容器制造成本和運作風險。本文通過對常用壓力容器開孔補強三種設計方案進行論述和分析，總結出不同壓力容器工況下開孔補強結構的選擇依據，在保證壓力容器質量的基礎上，進行科學、經濟、合理的開孔補強結構設計。

壓力容器； 開孔補強； 結構合理； 制造方便

在壓力容器設計中，開孔是為了安裝接管、人孔、儀表實現壓力容器功能、安全等的需要，然而有效合理壓力容器開孔補強結構設計是保證壓力容器安全的基本要求，同時補強結構設計也影響著壓力容器成本。壓力容器圓筒形或錐形部分或成型封頭上開孔的形式最好是圓形、橢圓形或長圓形，當橢圓形或長圓形孔的長短徑之比大于2時，應增強短徑方向的補強，以避免由于扭轉力矩產生過度變形。

在設計開孔補強時必須要考慮在開孔或者接管區附近增加殼體或接管壁厚來補償因開孔所削弱的壓力容器本體的強度，通過增加殼體或接管壁厚來降低開孔接管處的應力峰值來保證壓力容器的強度和安全。開孔補強結構設計計算方法有等面積方法和分析方法。

等面積補強法是一補償開孔局部截面的拉伸強度作為補強準則，等面積補強法對開孔邊緣的二次應力的安定性問題是通過限制開孔形狀、長短徑之比和開孔范圍（開孔率）間接加以考慮，使孔邊緣的局部應力得到一定控制，開孔等面積方法適用于壓力作用下殼體和平封頭上的圓形、橢圓形開孔。當在殼體上開橢圓形或長圓形孔時，孔的長徑與短徑之比應不大于2.0，適用范圍：

（1）在筒體、封頭上開圓孔、橢圓孔或長圓孔。非圓孔的/≤2。

分析法適用范圍：

開孔補強分析法是根據彈性薄殼理論得到的應力分析方法，用于內壓作用下具有徑向接管圓筒的開孔補強設計，其適用范圍如下：

1 等面積補強理論基礎

1.1 開孔應力集中現象

若殼體未開孔時的名義應力為，開孔后的最大應力為max,則應力集中系數的定義為=max/，通常情況下，在各種孔形中，圓孔的應力集中程度最低，因此，GB150-2011對開孔形狀進行限制。根據彈性力學解，可得到無限平板開小圓孔的單項拉伸時應力集中系數：

根據彈性力學疊加原理，可以方便的得到其他情況下的應力集中系數，圖1、圖2、圖3提供了常見開孔邊緣的應力集中現象。

圖1為單向拉伸時的應力集中，圖2為等值雙向拉伸應力集中，類似球殼小開孔，圖3為雙向拉伸應力集中（2=0.5），近似薄壁圓柱殼開小孔的應力集中。

圖1 為單向拉伸時的應力集中

圖2 為等值雙向拉伸應力集中

圖3 雙向拉伸應力集中

2 開孔受力特點

壓力容器殼體開孔以后，一般總需設置接管或人孔等，開孔邊緣可引起三種應力：

（1）局部薄膜應力。壓力容器殼體一般承受均勻的薄膜應力，即一次總體薄膜應力。殼體開孔后，開孔邊緣應力分布很不均勻，在離開孔邊緣較遠處，應力幾乎沒有變化，而增大的應力則集中分布在開孔邊緣，因此在開孔邊引起很大的薄應力，即所謂的局部薄膜應力。

（2）彎曲應力。容器開孔以后，一般設置接管、人孔、儀表等。為使兩部件在連接點上變形相協調，則必然會產生一組自平衡的邊界內力（包括剪力與彎矩）。這些邊界內力將在殼體的開孔邊緣及接管端部引起局部的彎曲應力，這部分應力屬于二次應力。

（3）峰值應力。在殼體開孔邊緣與接管的連接處還會產生一種有益應力集中現象造成的分布范圍很小而數值很高的應力，這部分應力分為峰值應力。

可見，在壓力容器由于開孔使開孔邊緣造成比較復雜的應力狀態。

3 開孔補強結構設計方案及應用

所謂開孔補強，是指在壓力容器開孔之后，為了提高開孔周圍材質抗壓強度因開孔強度降低而進行補救的方法。因此，開孔補強在壓力容器生產、使用過程中起著至關重要的作用，保障壓力容器發揮自身功能和延長壓力容器使用壽命。開孔補強結構設計需要根據壓力容器結構特點，在開孔補強結構設計具體實施中，可以根據開孔位置、數量、以及對容器的其他需求等因素，在壓力容器設計過程中比較常用可以分為三種：第一種為補強圈補強，第二種為整體補強，第三種為厚壁接管補強。

3.1 補強圈補強結構設計

補強圈補強結構設計思路主要是在壓力容器殼體開孔周圍一定范圍內，緊靠接管貼焊一塊補強板，來增大殼體因開孔而削弱的承載面積，因承載面積的增大，開孔邊緣的應力集中現象減弱，峰值應力降低。多年的制造、使用實踐證明，在補強圈設計過程中，補強圈的位置對峰值應力產生較大的影響。補強圈比較均勻貼合在壓力容器內外側，不會引起壓力容器材料、結構的不對稱，從而可以避免因結構不連續產生的附加彎矩和相應的彎曲應力。

在產品生產、制造過程中，補強圈材料與殼體材料相同，補強圈與殼體之間很好貼合，一般以全熔透焊縫焊接在接管和殼體上。補強圈與壓力容器器壁連接一般為搭接焊接，形狀有較大的變化，焊縫處會存在較高的局部應力，同時在焊接過程中會對容器產生較大的約束作用，在焊縫冷卻過程中會有材料的冷卻收縮，從而在角焊縫容易出現裂紋，特別對于高強度材料，因此在焊接制造過程中應采用焊前預熱、焊中限制層間溫度、焊后熱處理等措施，防止補強圈與容器殼體焊縫之間裂紋產生。

補強圈與殼體之間為搭接焊接，抗疲勞性能差，補強后殼體的疲勞壽命僅為無開孔殼體的70%，因此補強圈補強不適宜使用在高溫、高壓、載荷反復波動工況的壓力容器。

采用補強圈補強時，應遵循下列規定：

殼體和補強圈鋼材的標準抗拉強度下限值σ≤540 MPa。

補強圈厚度小于或等于1.5δ

殼體名義厚度δ≤38 mm。

3.2 整體補強結構設計

整體補強是將開孔所在處元件整體加厚，而不另加其它補強元件，提高開孔處材質的等級和強度，從而保證壓力容器的質量及其完整性。對于圓筒和平板，整體加厚的厚度按壁厚設計公式引入開孔削弱系數計算；對于其它凸形封頭，則按局部補強要求進行補強計算，按滿足補強時的封頭厚度作為整體封頭的厚度。

在壓力容器對補強質量要求較高時，在開孔補強設計過程中應盡量選擇整體補強方式。對于壓力容器處于較為容易氧化、容易發生腐蝕、溫度變化劇烈的環境，以及殼體材料為高強度鋼（R＞540 MPa）和鉻鉬鋼制造的容器，應采用整體補強（即增加殼體的壁厚）或者采用局部整體補強元件的補強方法。

整體補強理論推導

根據GB150-2011《壓力容器》可知，殼體開孔所需補強面積為：

補強區內的焊縫面積為3，補強區內另加補強面積為4，則根據等面積補強原理，

將（1）-（3）式代入（4）得：

因此整體補強殼體最小厚度為：

3.3 厚壁接管補強結構設計

厚壁接管補強設計通常是根據壓力容器使用工況和材料性能來決定的，通過選擇合理的材料可使金屬強度及特性得到有效的保障。要想使補強的效果得到有效運用，應加大整個接管的流通面積，接管材料還需選擇低于容器殼體強度等級的厚壁接管材料。

厚壁接管補強結構設計特點：（1）因厚壁接管處于開孔最大應力區域，從而可以有效降低孔邊的應力集中。另外和殼體形成整體，可以彌補補強圈結構抗疲勞性能差的缺陷，同時可以極大的降低溫差應力，高溫、低溫、壓力急劇波動、極度有毒介質工況都可以采用。（2）厚壁接管與殼體之間的焊接一般為對接接頭，對接接頭焊縫組織和性能更容易保證，避免焊接缺陷。（3）大開孔孔邊緣彎曲應力及應力集中系數比較大，嚴重時應力集中系數在6~9，該工況下通常的補強設計方法很難滿足結構設計要求，然而厚壁接管所補強的面積正處于應力集中的孔邊緣區域，可以有效的降低應力集中現象，滿足壓力容器補強結構設計需求。

盡管厚壁管補強有上述的優點，但并不是可以增加接管壁厚來滿足補強不足的要求，根據長期的設計、實踐經驗，當厚壁管超過1.75倍殼體厚度后，在增加接管厚度基本上對開孔補強作用不大，對于這種工況應采用增加接管厚度和殼體厚度相結合的方案做開孔補強設計計算。

4 結 論

開孔補強結構設計是壓力容器設計中不可缺少的一部分，保障壓力容器安全使用和延長使用壽命起到至關重要的作用，同時也影響著壓力容器設計、制造成本。因此在壓力容器設計過程中，應根據不同壓力容器結構特點、使用工況不同，選擇合理有效的開孔補強方案或者相結合的補強方案，保證壓力容器安全性和實用性前提下，降低壓力容器的運作風險。

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Opening Reinforcement Design of Pressure Vessels

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（CIMC ENRIC Energy Equipment (Suzhou) Co., Ltd., Jangsu Suzhou 215137, China）

The opening reinforcement design and calculation are very important links in the design of pressure vessels. Under the premise of ensuring the safety and practicability of pressure vessel, reasonable structure, convenient manufacture process and economical principle in the structure design should be considered in order to extend the service life, reduce the manufacturing cost and operation risks. In this paper, three common design methods of pressure vessel opening reinforcement were discussed and analyzed, how to select suitable opening reinforcement structure under different conditions was summarized. It's pointed out that scientific, economic and reasonable method should be used to design the opening reinforcement structure under the ensuring the quality of pressure vessel, use.

pressure vessel; opening reinforcement; reasonablestructure; convenient manufacture

2017-04-20

劉漢鵬（1983-），男，工程師，工學碩士，河南省新鄉市人，2011年畢業于常州大學化工過程機械專業，從事低溫壓力容器研發工作。

TQ 015

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1004-0935（2017）07-0703-04