低溫設備開孔補強結構優(yōu)化設計

姚煥鐘

摘 要：開孔補強是壓力容器中常見的結構，不同的設備往往選擇不同的補強結構。針對某低溫設備，提出了三種加固結構方案，并分別計算了加固面積。總結了不同加固結構的優(yōu)缺點。局部加厚殼是設備的最佳配筋結構，適用于低溫設備或不能使用鋼筋環(huán)或?qū)Y構連續(xù)性要求較高的設備。

關鍵詞 ：低溫設備; 開孔補強; 局部加厚殼體

1概況

以某公司生產(chǎn)的低溫儲罐為例。儲罐設計參數(shù)為：設計壓力P=2.6MPa;設計溫度T=50/-61℃; 設備直徑d=3000 mm;殼體、接管、加強圈均采用sa-537 Cl2材料，材料的許用應力為[σ] t=137.9兆帕。

2低溫設備開孔補強結構優(yōu)化設計方案

所謂開孔補強，是指通過所謂的低溫加固，使壓力容器開閉后，容器開閉周圍金屬材料的低溫抗壓腐蝕強度得到有效提高的一種臨時補救加固方法指針。因此，開孔補強在低溫壓力容器的工業(yè)生產(chǎn)和設備使用中起著重要的主導作用，保證了各種壓力容器發(fā)揮其重要功能，延長了低溫壓力容器的生產(chǎn)和使用壽命。根據(jù)各種低溫壓力容器的總體結構設計特點，開口焊補強整體結構的基本設計原則可分為三種基本類型：第一種類型主要是鋼管開口焊補強環(huán)，第二類主要為鋼管開孔補強，第三類主要為厚壁接管開孔補強。

2.1補強圈補強結構設計

補強圈補強結構設計的基本思路是：在殼體接管口附近及其周圍的承壓容器一定厚度范圍內(nèi)，在殼體接管口附近進行焊接加壓，以補充補強板，從而大大增加了殼體承受壓力的面積，削弱了在殼體接管開口處的應力。多年的制造和設計經(jīng)驗證明，在加工、設計和制造過程中，加強圈的移動位置對壓力和應力峰值有很大的影響。加強環(huán)更均勻地附著在附加壓力容器內(nèi)外壁的兩側，不會直接造成附加壓力容器材料和構件結構的不對稱，避免了由于材料結構的強度不連續(xù)而直接影響附加環(huán)的彎矩和相應的彎曲應力。

在生產(chǎn)過程中，加強圈的材質(zhì)與殼體相同。加強環(huán)與殼體配合良好。一般情況下，全熔透焊縫焊接在連接管和殼體上。補強圈與儲氣罐壁的焊接連接主要采用手工搭接或點焊，形狀尺寸變化較大。在熱處理過程中，焊縫會產(chǎn)生較大的局部摩擦應力。同時，在電熱焊接過程中，電熱容器的溫度自動控制。在塑料焊縫的預熱和冷卻過程中，材料焊接會迅速產(chǎn)生大量的冷卻熱和收縮。因此，角焊縫中容易出現(xiàn)大的裂紋，特別是在高強度金屬材料的情況下。因此，應采取焊前塑料預熱等預防措施，在塑料焊接和焊后塑料熱處理過程中，還應采取預熱措施，有效限制塑料層間的焊接溫度，以防止塑鋼圈與塑料容器、殼體之間的角焊縫出現(xiàn)大裂紋。有孔加筋殼體的疲勞壽命僅為無孔加筋殼體的70%。因此，強化循環(huán)不銹鋼適用于高溫、高壓、反復載荷頻率波動的特殊壓力容器。

2.2局部加厚殼體補強

采用局部加厚殼體和加厚接管加強開孔。厚壁焊管的壓力保護設計通常是根據(jù)各種壓力容器的實際環(huán)境條件和焊接材料的性能要求來確定的。通過選擇合適的金屬材料，可以有效、準確地保證各種金屬材料和特殊材料的強度。為了有效地提高噴嘴補強的應用效果，為了有效地推廣應用，應盡量增加整個供水噴嘴的流量厚壁面積，并盡量選用強度低于供水容器內(nèi)殼的薄壁厚壁作為接管補強材料。厚壁焊管應力補強焊接結構的基本設計技術特點是：（1）由于厚壁焊管兩側均位于開閉孔的最大橫向應力區(qū)，可有效降低孔邊的開孔應力集中。另外，整體結構與強循環(huán)殼體相結合，可以有效彌補和填補強循環(huán)殼體結構抗疲勞、耐熱性差的巨大缺陷，也大大降低了對溫差的適應性。適用于各種高溫、低溫、快速適應壓力和溫度波動以及高溫、劇毒腐蝕性介質(zhì)的加工條件。（2）大型厚壁多孔接管與塑料殼體的無縫焊接一般為無縫焊接。大跨度多孔接管邊緣的最小彎曲應力和彎曲應力集中系數(shù)較大，嚴重時最大彎曲應力集中系數(shù)一般為6～9。在這種復雜的條件下，傳統(tǒng)的配筋結構設計方法很難完全滿足建筑結構設計者的要求。但厚壁接管口漏筋區(qū)一般位于應力集中的孔邊，可有效減少應力集中漏筋，可滿足大型壓力容器專用結構的基本設計性能要求。厚壁接管雖然兼有上述兩個優(yōu)點，但直接增加整個接管的薄壁厚度，不可能完全滿足厚壁補強能力不足的技術要求。根據(jù)長期的殼體設計和施工實踐經(jīng)驗，當增加厚壁管厚度超過當前殼體內(nèi)壁厚度的1.75倍時，增加多孔接管內(nèi)壁設計厚度對多孔接管補強厚度影響不大，多孔接管補強殼體設計厚度的計算方案應采用增加厚壁接管、同時減小殼體內(nèi)壁厚度的解決方案。

2.3整體補強結構設計

整體材料補強是在開口處加厚開口構件材料，而不添加其他材料對開口構件進行補強，從而有效提高閥門開口處構件材料的性能水平和使用強度，確保各類壓力容器的使用質(zhì)量和結構完整性。對于帶凸頭的整體圓筒和平板，通過計算引入孔數(shù)和擴張孔數(shù)的弱化補強系數(shù)，根據(jù)壁厚設計中的公式，可得到各整體凸頭的補強厚度;對于其他氣缸凸塊，應根據(jù)每個局部凸塊的補強厚度要求計算局部補強厚度。滿足局部補強厚度要求的鼓包補強厚度可作為整個鼓包的補強厚度。

當各類壓力容器對液壓補強系統(tǒng)的質(zhì)量要求較高時，在設計全啟閉孔壓補強系統(tǒng)時，應盡量減少選用全啟閉孔補強設計方法。壓力容器易氧化、腐蝕，溫度變化快。殼層結構材料是高腐蝕強度的鉻鋼，PR>0。對于由鉻鋼和鋁鋼（540MPa）制成的壓力容器，有必要考慮使用一種整體結構加強件（可以增加容器殼體的壁厚）或一部分整體加強件。

3不同補強方案對設備的影響

3.1 采用補強圈加強開孔時，根據(jù)GB/T 150.3-2011《壓力容器第3部分：設計標準》，補強圈的厚度應小于或等于殼體壁厚的1.5倍，故選用補強圈。補強圈厚度取39mm，補強圈寬度取250mm，即補強圈外徑為11313mm時，接管補強合格。加強圈的加強結構簡單，制造方便。但是，加強環(huán)和殼體之間需要焊接。因此，環(huán)的抗疲勞性能較差，很難與殼體表面完全吻合，這將對中高溫容器產(chǎn)生較大的局部熱應力。設備工作溫度約為42℃，而環(huán)境溫度是-61℃， 兩者溫差較大，補強環(huán)的結構會對殼體產(chǎn)生約束，產(chǎn)生局部應力。因此，設備應盡量避免使用加強圈。

3.2加厚接管補強時，經(jīng)計算，接管厚度需加厚至150mm，殼體厚度為26mm，才能滿足補強要求，δ n t/δ= 5.77，加固結構的結構突變明顯。根據(jù)GB/T 150-2011標準附錄E，本設備為低溫容器，應盡量避免結構突變，以降低局部應力。加厚接管厚度分別為266mm和150mm。只能加大厚度，造成鍛件尺寸大、質(zhì)量大、制造周期長、成本高、經(jīng)濟性差。

3.3采用局部加厚殼體同時加厚接管時，局部加厚殼體厚度為33mm，為原殼體厚度的1.26倍，補強段接管厚度為81.5mm，δ n t/δ=3.13，與加厚噴嘴相比，該方法降低了結構突變程度，噴嘴厚度減小，質(zhì)量降低，成本降低，經(jīng)濟性更好。

3結論

本文提出了低溫設備開孔的三種補強結構，并通過分析給出了三種不同結構的設計方案。從設備的局部受力和經(jīng)濟性兩方面比較了其優(yōu)缺點。由此可見，局部加厚殼體加厚接管的加固結構是本設備最合適的加固方案，為低溫設備或不使用補強圈或結構連續(xù)性要求高的設備的開孔補強設計提供參考。

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