開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析

王春霞 楊麗霞

[ 作者簡介 ]

王春霞，女，山東禹城人，山東宏達科技集團有限公司，助理工程師，本科，研究方向：壓力容器、換熱器設計與制造。

楊麗霞，女，山東煙臺人，山東宏達科技集團有限公司，中級工程師，本科，研究方向：壓力容器、換熱器設計與制造。

[ 摘要 ]

壓力容器能夠承受壓力的大小直接決定著有毒或者易燃氣體、液體存放的安全性。當壓力容器能夠承受足夠強度的壓力時，這些壓力容器內的物質存儲就有足夠的安全性；反之，如果壓力容器承受壓力的能力不足，那么當外界環境壓力改變時，壓力容器內外壓力差過大，壓力容器可能發生破損，內部有毒物質的存儲安全性就不能得到保證，甚至會導致有毒物質的擴散。開孔補強設計，主要是為了降低壓力容器內的壓力，通過在壓力容器上面開孔，使壓力容器內外壓力差減小，保證內部氣體、液體的存儲安全性。本文主要從開孔補強結構的含義及其在壓力容器中的應用現狀來探究分析開孔補強設計在壓力容器設計中的應用。

[ 關鍵詞 ]

開孔補強設計；壓力容器；應用

中圖分類號：TB47

文獻標識碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2022.15.058

如今化工領域的快速發展主要得益于科學技術的進步與發展。化學制品的提煉制作越來越容易，純度也越來越高，制成的化學制品質量成分越來越穩定，并逐步用于其他領域，如國防、航天，接下來也將更多地應用到群眾的日常生活中。但與此同時，科學技術的進步也帶來了許多不可控的因素及危險性。例如，有了毒性更加強、更加容易燃燒的液體和氣體，這些物質如果能夠合理應用則會有益于人類化工科技的發展和進步，但是一旦發生了泄露，后果則不堪設想。所以，對這些有毒、易燃的氣體液體的存放就會有著更高的標準和要求，必須將其放在一個非常穩定、牢固、安全的容器中，這樣既能夠保證這些物質的存放安全，同時也能夠方便存取。開孔補強設計是壓力容器生產過程中非常重要的一個環節，在壓力容器壁上進行開孔，一是為了后期安裝接管方便，二是為了后期維護保養方便。但無論在任何地方進行開孔，都會對壓力容器的整體結構強度造成負面影響，因為開孔設計會破壞壓力容器本身的整體性，容易導致壓力容器抗壓性能變差。壓力容器一般的存放環境都比較惡劣，通常都是高溫、高壓環境，開孔設計會導致壓力容器各項性能指標降低，出現不同程度的損壞，影響壓力容器的正常使用。這個環節現如今得到了人們較大的重視，通過對壓力容器開孔補強進行合理科學的設計和應用，可以有效降低由于斷層差異作用導致的壓力容器性能下降。開孔補強設計做好了，壓力容器承受壓力的能力就會得到提高，用這些壓力容器來存儲有毒易燃的氣體和液體也將會更加安全，既能為人類科技文明的進度貢獻力量，也能夠有效保障人民的生命財產安全。

1 開孔補強的含義

開孔補強一般作為壓力容器設計的必要步驟，在壓力容器上面開孔的主要目的是滿足壓力容器與其他容器相互連接的問題，而且對壓力容器的維修養護也需要在壓力容器上面開孔。在壓力容器上開孔后，容器所承受的壓力將會發生不小的變化，孔洞周圍的壓力變化最為明顯，可能因為承受的壓力過大出現破碎現象，就會導致其中存放的有毒易燃氣體、液體發生嚴重泄露，威脅化學實驗的安全。一般來說，化學領域的工作環境可能比較惡劣，如果開孔處沒有進行補強，那么在這樣有毒、有腐蝕性的惡劣環境將會對開孔處造成更加嚴重的腐蝕，而一旦開口處被腐蝕，那么整個壓力容器的密閉性幾乎將徹底喪失，將直接影響有毒易燃氣體液體的壓力容器存放安全性，會導致嚴重的化學實驗泄漏事故。因此，開孔補強設計是壓力容器設計十分重要的一個環節，將直接影響壓力容器的穩定性和安全性。

在開孔補強技術的具體操作中，可以根據開孔補強的位置、數量以及其他的各種因素將補強類型分為整體補強和局部補強。

1.1 整體補強

整體補強通俗來講是一種大面積的補強技術，一般采用整體補強是因為壓力容器開孔較多，整體的強度不足，或者不方便運用局部補強的方式，需要對整個壓力容器進行全面補強。整體補強的優勢在于：一是操作簡單，整體補強不需要考慮容器整體的區域強度會有所不同，只需要對整個容器進行全方位的補強就可以，省去了對壓力容器各區域性質的分析步驟；二是補強位置全面，由于是對整個壓力容器進行補強，所以不會存在補強后某一區域強度不足的情況，而且整體補強也能對強度足夠的區域進行進一步的加固；三是能夠提升開孔補強的工作效率，一旦出現壓力容器開孔較多的現象，那么對局部進行補強將會相對麻煩而且工作效率低，針對多孔的壓力容器，對壓力容器進行整體補強能夠有效提升開孔補強的工作效率。

1.2 局部補強

局部補強相對于整體補強技術來說，主要是運用更加有針對性的補強方法對壓力容器上的開孔壓力強度進行補充。局部補強的應用范圍相對整體補強來說會更加廣泛，一般來說，除非有特殊的情況，對壓力容器的開孔補強都是利用局部補強技術進行的。局部補強技術的特點較為突出，局部補強技術可以有針對性地對壓力容器某一處開孔進行補強，不需要像整體補強技術那樣大面積地對壓力容器進行補強操作，所以所需要的補強材料也能夠更加節省，補強的零部件在經過焊接之后可以與壓力容器作為一個整體結構承載壓力，抗疲勞性能較好。

2 開孔補強設計在壓力容器設計中的應用現狀

壓力容器開孔處的受力程度是開孔補強設計要考慮的極為重要的一個因素，受力一般分為峰值受力、彎曲受力以及局部薄膜受力三種形態，三種形態之間有著較為明顯的差異，所以在開孔補強設計中要根據受力情況的不同選擇合理的開孔補強設計方法。第一，如果是峰值受力的話，開孔補強主要需要考慮的是壓力容器面對壓力變大的抗疲勞度和對壓力容器的破壞力。如果只考慮到壓力增大會對壓力容器造成不可逆的破壞但忽略了抗疲勞度的話，那么這個開孔補強設計就是失敗的，而且實踐表明這樣的壓力容器依舊會遭到嚴重的、不可逆的破壞，不能作為一個合格產品投放到化工領域用來儲存有毒易燃的氣體液體。第二，彎曲受力主要是用來提高壓力容器的持續穩定性能，壓力容器的穩定性好，有毒易燃氣體液體的存放才會更加安全。如果不注意彎曲受力的話，壓力容器的穩定性將會大大降低，即使能夠存儲有毒易燃的氣體液體，也會由于穩定性不足導致泄漏現象的發生。第三，局部薄膜受力的開孔補強設計主要關注的重點是如何應對壓力容器壓力不穩定的現象，因此要確保開孔的地方的受力情況能夠滿足開孔補強設計的所有需要。壓力容器的開孔補強設計要能夠全面考慮到這三種不同的情況，要更多地結合好這三種不同的需求，有針對性地設計不同的壓力補強的壓力容器，使之能夠適合不同環境不同情況，提高安全性能，保證存儲的安全性。

3 開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析

3.1 通過連接厚壁進行補強

承壓能力和壁厚之間的計算公式是：壓力=（壁厚×2×抗拉強度）/（外徑×系數），在壓力容器開孔補強的各種手段中，對厚壁進行補強的做法比較普遍的一種，在開孔補強設計過程中，對厚壁進行連接時，一般要綜合考慮厚壁連接的材質，而且要結合壓力容器壁面的材質，考慮到壓力容器的使用場所、環境如何以及開孔處的受力形式。一般開孔直徑不小于150毫米，厚壁與壓力容器開孔壁保持高度一致，如果補強的材質與開孔處的材質有出入的話，就會導致補強之后的穩定性極差，在外力作用下，這樣的壓力容器極其不穩定，容易發生危險，不僅導致壓力容器無法正常使用，而且存儲在內部的有毒易燃氣體液體也會發生泄露，甚至發生化學反應，造成更大的危害。開孔補強設計對連接管的要求也非常高，首先就是要求連接管要有足夠的強度，但是對于受力強度的把控又要十分精準，與跟壓力容器的抗壓能力保持高度一致。如果連接管的受力強度要高于或者低于壓力容器的受力強度，就會嚴重影響壓力容器的補強效果，也將會進一步影響整體的補強效果。開孔補強設計中的厚壁連接可以選擇鍛造件，鍛造件的精細化程度相對于其他產品來說更高，能夠有效避免加工出現誤差導致的不精確而影響開孔補強的效果。但值得注意的是，選擇鍛造件并不能盲目，需要根據壓力容器所面臨的環境和所需要承受的壓力大小來進行特殊鍛造，保證鍛造件是最符合要連接的壓力容器使用環境的。

3.2 通過補強圈進行補強設計

補強圈主要應對的是局部薄膜受力問題，這樣的設計能夠進一步保證壓力容器的安全性能，增強壓力容器儲存的能力。通過補強圈進行補強設計的要點如下。第一，考慮壓力容器的旋轉場所和存儲物。如果壓力容器要放在一個環境溫度差別很大的地方，而且壓力容器內要存放具有很強腐蝕性的物質的時候，則不建議使用補強圈的方式進行開孔補強，因為外部環境溫差大，就需要壓力容器具有很好的抗溫度差異的性能，而且內部由于存儲著具有強腐蝕性的物質，這也要求壓力容器同時要具備很好的抗腐蝕性，而補強圈并不能夠很好地做到這兩點。如果壓力容器開孔處的負荷不適合補強圈的話，就需要考慮利用其他的方式方法對壓力容器進行開孔補強。第二，補強圈的設計制作過程要嚴格按照國家統一標準執行。值得注意的是，在補強圈設計和制作的時候要注意壓力容器開孔處的壁厚，壁厚一般要小于1.50牛，抗拉強度要低于540兆帕，如果補強圈的厚度超過了壓力容器的壁厚，那么就會導致在焊接時候難度突然增大，而且影響焊接的效果，嚴重的會導致在焊接過程中由于受熱過度使鍛造的補強圈發生形變甚至斷裂，最終會導致因為補強圈的問題影響到壓力容器的正常使用和存儲。通過上述會發現補強圈對于壓力容器的開孔補強有著重要的作用，所以設計人員必須要重視補強圈的設計問題，對補強圈的厚度、材質要進行嚴格的把關，確保補強圈設計以及制作沒有任何瑕疵，保證與壓力容器的契合度，保證壓力容器能夠正常使用。

3.3 通過整體鍛造進行補強設計

整體鍛造相比于其他開孔補強的方式優勢就在于能夠更加有效地提升抗壓能力，減少壓力容器的整體受力。使用整體鍛造補強主要是因為壓力容器存放的環境比較惡劣，比如極度寒冷或者極度高溫，又或者是非常擁擠和不穩定，容易發生各類的碰撞等。壓力容器對精度要求還非常高，例如要求壓力容器所能承受的壓力要精確到小數點后兩位甚至更多，這樣就需要整體鍛造，整體鍛造補強能夠在滿足這些需求的同時有效控制好成本。但是，由于需要對壓力容器進行整體鍛造，所以工藝水平要求較高。相對于其他幾類補強方式來說，整體鍛造是最難實現也最難大量采用的補強方式，但由于其精度高、補強效果明顯，仍然會有部分需求采取整體鍛造的方式對壓力容器進行補強。整體鍛造補強的限制條件為抗拉強度小于540兆帕，補強圈厚度要小于1.50牛，設計溫度要低于350攝氏度。

4 結束語

總而言之，本文通過仔細研究，分析查找，走訪論證，得出開孔補強設計主要通過厚壁管連接、補強圈及整體鍛造三種方式，這三種方式各有不同的側重，也同樣各有優勢，經過合理運用都能夠很好地實現對壓力容器的補強。壓力容器是化工領域重要的存儲設備，按照規定認真正確地使用將會給我們的化學領域試驗和發展帶來更大的便利，能夠存儲許多棘手的物質，又能保證這些物質的安全。但使用不當就會導致存儲的有毒易燃氣體、液體發生泄漏，危害人民生命安全，造成大量財產損失，影響化工領域的快速發展，影響到我國化工領域在國際上的地位。因此，設計人員要重視壓力容器的安全性，充分認識開孔補強設計對于壓力容器補強的重要性，持續關注著開孔補強在壓力容器中的應用作用，通過不斷論證，查閱資料，現場實地考察，提供一些更加有建設性的意見對策，讓開孔設計在壓力容器中的應用越來越廣泛，讓壓力容器的安全性越來越高。

參考文獻

［1］葛建社. 開孔補強設計在壓力容器設計中的應用研究［J］. 中外企業家，2019（12）：141.

［2］易轍. 淺談壓力容器設計中開孔補強設計的應用［J］. 化工管理，2019（11）：197-198.

［3］謝寧. 壓力容器設計中開孔補強設計的應用探析［J］. 化工管理，2018（16）：161.

［4］張連利. 開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析［J］. 化工設計通訊，2017，43（11）：158.

［5］李新. 開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析［J］. 石化技術，2017，24（5）：30，44.

［6］王洪革. 開孔補強設計在壓力容器設計中的應用探析［J］. 內燃機與配件，2017（5）：118-119.