壓力容器設計中開孔補強設計的應用及實踐

王剛

摘要：工業生產中，壓力容器的應用范圍非常廣泛，如承載各種介質，包括有毒有害的、強腐蝕性的介質，實現介質的存儲、反應、能量交換等。壓力容器的殼體上需要設置接管，用于與工作系統中的管道、閥門等連接，通常還需要設置檢查孔，用于壓力容器的檢修、維護。接管及檢查孔會在壓力容器本來完整的承壓邊界上形成開孔，會削弱其安全可靠性。為保障壓力容器可以安全運行，就要在容器開孔之后，以科學的方案實施補強處理。本文對壓力容器設計中開孔補強設計的應用及實踐進行分析及研究。

關鍵詞：壓力容器設計;開孔補強設計;承壓殼體;應用實踐

隨著社會經濟的高速發展，壓力容器的應用范圍不斷擴大，其優勢包括運行穩定、儲量大、安全可靠性強等。應用壓力容器時，為滿足實際的運行和檢修需求，需要設置很多外接管和檢查孔，從而會在壓力容器承壓殼體上形成開孔。壓力容器的開孔設計必須達到補強的需求，以保證整體強度和穩定性滿足壓力、溫度等載荷條件，維持壓力邊界完整。而且，壓力容器大多存儲危害性介質，如果壓力邊界破損，將發生安全事故，會導致嚴重的社會危害，因此，壓力容器設計中的開孔補強的設計工作必須要科學合理。

一、開孔補強的限制條件和設計方法

（一）限制條件

壓力容器開孔設計過程中，殼體開孔的形狀以及直徑具有一定的限制，各種類型的受壓元件的開孔尺寸需滿足以下要求：圓筒內徑≤1500mm時，開孔直徑需小于0.5Di（Di為圓筒內徑）和520mm中的較小值，圓筒內徑>1500mm時，開孔直徑需小于Di/3和1000mm中的較小值;錐殼或錐形封頭的開孔直徑需低于Dk/3（Dk為開孔中心處的錐殼內直徑）;凸形封頭或球殼的開孔直徑需在0.5Di（Di為封頭內徑）之內;對于橢圓形、長圓形的開孔，長短軸之比不得大于2.0。

（二）設計方法

壓力容器的開孔補強設計方法包括補強圈補強和整體補強兩種。

補強圈補強結構簡單，制造方便，使用經驗豐富。但補強圈與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱效果差，在中溫以上使用時，二者存在較大的熱膨脹差，因而使補強局部區域產生較大的熱應力;另外，補強圈與殼體采用搭接連接，難以與殼體形成整體，所以抗疲勞性能差。這種補強結構一般使用在靜載、常溫、中低壓、材料的標準抗拉強度低于540MPa、補強圈厚度小于或等于1.5接管壁厚、殼體名義厚度不大于38mm的場合。

整體補強設計應用范圍廣泛，尤其在開孔較大的容器中補強效果良好。整體補強結構與開孔區域結構連續、形成整體，具有優異的抗疲勞性能。

二、壓力容器設計中開孔補強設計的應用

（一）補強圈補強方式的應用

采用補強圈補強方法，目的就是將承壓殼體的局部開孔結構的承載能力進行強化，在容器壁上焊接補強圈，通過間接增加容器壁的金屬厚度，有效地提升強度。補強圈一般焊接在壓力容器的外部，接管與殼體的交界位置，可有效增強壓力容器的承壓能力。設計補強圈時，需要對補強圈的材料及厚度進行合理可靠地控制，確定補強圈材料及厚度時，設計者要考慮容器規格、開孔尺寸、補強特點等，結合補強圈的使用范圍，對于補強圈進行合理設計。對于低合金高強度鋼壓力容器開孔補強的設計，通常運用補強圈補強方式，不能滿足既定要求后，再調整為整體補強方式。

（二）厚壁接管補強方式的應用

厚壁接管補強是常用的整體補強方式。運用厚壁接管補強方法時，對于厚壁接管的材料具有較高的要求，而且，壓力容器殼體材料的性能以及壓力容器的運行環境等都是影響因素，需要高度重視。開孔補強設計時，殼體材料的許用應力如果比補強材料大，需按比例增加補強面積，將補強能力進行強化，反之，不可減小補強面積，以保證壓力容器的安全性能。運用厚壁接管補強方式時，并不是接管材料的強度越高越好，若選取的接管材料的強度超過殼體材料較大時，會提升焊接作業的難度，同時增加壓力容器的應力集中程度，提高疲勞因子，對于壓力容器的使用壽命不利;若接管材料的強度比殼體材料低很多，則需要增加接管壁厚，以獲得更多的補強面積，會導致焊接工作了增大，影響接管流通面積等問題。選取接管材料時，需要考慮殼體本身的材料特性，選取的接管材料應與殼體材料相適應、相互協調，接管的壁厚盡量控制在殼體壁厚的0.5～2倍。采用厚壁接管補強方式時，可以使用鍛件材料加工接管，以減少誤差，提高精度;在設計壓力較小、補強對壁厚要求較低的情況下，也可使用無縫鋼管。

三、開孔補強設計在壓力容器設計的實踐案例

（一）設計條件

某壓力容器圓筒的內直徑、設計壓力、設計溫度分別是16OOmm（Di）、2.16MPa（p）、60℃（t），液態氨為容器中承裝的介質，其腐蝕余量c2為2mm，焊接接頭系數φ為1。容器使用Q345R鋼板材材料，殼體名義厚度δn為15mm，鋼板厚度負偏差c1為0.3mm。基于設計溫度為60℃的環境下，殼體材料許用應力[ ]=189MPa，考慮鋼板材料厚度負偏差及腐蝕裕量，有效厚度δe為12.70mm。此容器圓筒殼體上有開孔，裝設內平齊159×15的接管，接管壁厚負偏差為0.3mm，外部伸出高度為120mm（h1），有效厚度δet為12.7mm，接管材料設計溫度下的許用應力與殼體材料相等，接管與殼體焊縫腳高15mm。

根據設計條件，此壓力容器殼體上接管處的開孔直徑大于GB150.3-2011規定的免除開孔補強的開孔直徑（89mm），所以需要進行開孔補強設計。根據GB150.3-2011，計算出壓力容器圓筒殼體的計算厚度：

=2.16*1600/（2*189-2.16）=9.2mm

接管的計算厚度：

t=2.16*129/（2*189-2.16）=0.75mm

圓筒殼體上的開孔直徑：

dop=159-15*2+2*2+2*0.3=133.6mm

需要的開孔補強面積：

A=133.6*9.2=1230mm2

（二）明確開孔補強范圍

根據GB150.3-2011，可以把壓力容器開孔補強有效補強范圍劃分成沿被開孔殼體的經線方向、沿接管的軸線方向兩個方向。按照設計條件，計算有效補強的寬度：

B=max（2*133.6，133.6+2*15+2*15）=267.2mm

外部有效補強高度：

h1=min（√（133.6*15），120）=44.7mm，

內深高度為0，內部有效補強高度為0。

計算補強面積A1、A2、A3：

A1=（267.2-133.6）*（12.7-9.2）=467.6mm2

A2=2*44.7*（12.7-0.75）=1068.3mm2

A3=15*15/2*2=225mm2

有效補強補強面積Ae：

Ae=A1+A2+A3=1760.9mm2>A=1230mm2

即壓力容器的開孔補強面積滿足要求，不需另外補強。

結語：

開孔補強設計是壓力容器設計過程中的關鍵組成部分，在開孔補強設計過程中，合理選用開孔補強方式，最大限度地降低壓力容器承壓邊界的應力集中，減少壓力容器的疲勞破壞傾向，能有效地整體提升壓力容器的使用安全性和可靠性。如何進一步減小不同方式開孔補強的負面影響，進行更合理地優化和改良壓力容器開孔補強設計，還需要相關的行業主管部門和專家學者不斷地探索和研究。

參考文獻：

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