开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析郎明

开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析郎明

郎明

天津辰力工程设计有限公司天津300400

摘要：在压力容器设计过程中，根据实际情况对开孔补强进行设计是作为重要环节之一，随着我国压力容器设计进程发展，出台了相关政策针对压力容器开孔补强设计做出相关要求与计算，在规范的要求下，实际过程中对开孔补强设计的安全、性价比等都提出了更严谨的要求，在设计过程中值得进行实践研究。

关键词：开孔补强设计；压力容器设计；应用探析

1开孔补强结构的含义

所谓开孔补强结构，是指在压力容器上开孔之后，为了提高开孔周围材质抗压强度的降低而进行补救的方法。压力容器为同材质材料制造而成，因不同的要求需要在容器外壁开出不同类型的小孔，这样就会导致压力容器整体抗压强度的下降，可能会导致压力容器的使用出现问题或是致使其使用寿命缩短。因此，在容器外壁所开小孔周围加以维持容器整体强度的保护措施，也就是开孔补强技术是非常重要的。在开孔补强技术的具体实施中，可以根据开孔位置、数量、以及对容器的其它需求等因素，大致分为整体补强和局部不强。

1.1.整体补强

整体补强是一种大面积的补强方式，它的使用只要在压力容器开孔较多或是局部不强不方便，以及容器整体强度不够需要整个压力容器进行补强作业时采用的方法。其优点在于补强位置全面、实施方便，在压力容器开孔较多位置集中是，能够提升开孔补强的工作效率。而他的不足在于，不能有针对性地对需要着重加强强度的位置进行补强，而且对单一开孔进行整体不强会造成材料的浪费。

1.2局部补强

局部补强相对于整体补强来说，就是以有针对性的补强方法对压力容器上所开的小孔进行强度补充。它的应用范围相对于整体补强要大很多，在没有特殊情况下，及压力容器的开孔补强都是进行局部不强的。它的特点是可以有针对性的对压力容器的某一处进行小孔补强，而不必像整体补强一样对大面积的容器都进行补强作业。补强元件与壳体金属熔焊成一体的可作为整体受力结构，其抗疲劳性能好，如接管补强、整锻件补强和加厚壳体补强。补强圈补强属非整体受力结构，其抗疲劳性能较差。制造时如必须在主要焊缝上开孔，则应对开孔边缘的焊缝作100%无损探伤。

2开孔补强的方法选择

压力容器的设计过程中，对开孔补强的设计有多种形式。首先，对开孔部位的局部补强就是其中主要手段之一，最为常见的是在开孔部位加强厚度，也就是增加开孔部位的容器壁厚被广泛利用。这种设计是在压力容器开孔的部位进行厚度增加，焊接相应的强化板，增加压力容器开孔部位的实际厚度，达到开孔之前的金属密度甚至超过开孔之前的金属密度，因为焊接局部受到条件因素影响会产生缝隙，在高压高温情况下氧化程度就极度扩大，腐蚀接触点，进而增加危险系数。在实际操作中，压力容器的加工维护角度来看，在压力容器外壁进行相应的焊接操作更具有可实现性，所以，一般情况下，压力容器都会在其外壁进行焊接强化板的操作，而且从实际的效果来看也证实容器壁外壁的焊接更容易提升强化作用。在采用此类方法进行压力容器开孔补强的同时，应该注意到，首先，一般情况下，开孔补强的实际厚度不能超过容器壁其他地方厚度的2倍，通过实验证明，如果开孔补强的位置焊接厚度超过2倍，焊接过程会暴露更多焊接角度，造成实际受力减弱，压力会对焊接缝隙进行冲击。同时，还要考虑焊接板材料的选取，尽可能选用抗高压材料、耐腐蚀材料以及抗高温耐火材料，减少环境因素对材料的影响作用。其次，特殊环境因素影响过大的压力容器不适合此类开孔补强方式，例如工作环境腐蚀极其严重以及温度压力长时间过高，并且温差起伏过大。

之所以要对压力容器进行开孔补强设计，是因为需要对金属外壳的进一步强化来拟补因开孔而造成的金属壁厚度的减弱，并且尽可能减少因为补强带来的新反应。理论上来说，在相同条件下，整体锻件补强是强化金属壁外壳使得结构受力程度降低的最大并且鲜有新的受力不均出现，所以，相对于局部补强来说，整体锻件的设计在压力容器受力补强方面实际效果达到的最为理想，万事都有正反面，整体锻件补强方法也不例外，它要比局部补强要求更高，正常理解为需要按照补强保护壳与整体锻件在一个过渡区间，减少在过渡期间外壁受力不均。在实际的操作过程中，此类方法因为要求的过于苛刻，技术过于高深，导致工作量的加大与工作成本过高，很难实现无缝的加工。这样对于只有要求精度过于严谨，环境过于恶劣的压力容器才会采用此类补强办法。

另外，除了以上方法以外，还可以根据物理受力知识，对压力容器后壁进行分压补强，所谓的分压补强是在保证压力容器正常运作的同时，开孔局域的对立外置同样进行开孔操作，尽量减少其他位置的开孔操作，这样可以平均压力容器金属壁两侧的外部受力，进而达到开孔补强的效果。一般在进行此类补强设计过程中，采用强度等级相当高的材料进行补强壳体的设计，补强的厚度和密度都要高于原来压力容器的平均密度。同样，由于此类方法要求过高，在实际焊接过程中容易产生不利影响，并造成结构体的性能降低，所以尽可能选用密度强度以及材料等级与压力容器本身材料相同的接管，并结合前两种方式的共同作用，根据实际环境因素适当采用局部补强与锻件补强，合理解决实际问题，把风险降到最低。

3开孔补强实际操作应该注意的问题

提高安全，减少风险，开孔补强在压力容器的早起设计中很重要，能够有效预防实际工作中危险的发生。因此，在实际压力容器设计过程中，针对开孔补强的方案要规定注意事项并且要充分了解且严格遵守，认真对待问题的重要性，加强开孔补强的意识，避免压力容器因为使用不当而造成安全问题，才能够保障操作单位与人员的生命财产安全。在实际工作中应该注意以下几点：

①严格按照理论标准对接管厚度进行把关，厚度一定要达到标准，对于接管来说，厚度过大对焊接不利，厚度过小对反复压力冲击不能起到保护。另外，接管的接触面积尽可能与压力容器开孔面积一致，并且厚度相同，厚度相差越大，受力能力越小。因此开孔补强设计中，为了满足相应要求，会加大厚度，如果出现此类现象应该将接管伸入压力容器壁内，减轻接管厚度同时增加开孔压力容器局部厚度。

②在实际开孔补强设计中容易忽视一个问题，关于导热类压力容器开孔需要补强计算时，要考虑容器的长度，在满足范围内的补强操作的同时，要注意超出范围的部分，不能随意增加容器厚度，这样不利于散热，反而增加容器的压力。

结语

压力容器的壳体与连接处容易产生压力过大，开孔补强在该问题的处理中发挥着重要的作用，严格按照标准来进行应用是前提，也需要综合实际情况进行相应处理，这样就给压力容器的质量提供双重保障。

参考文献

[1]刘亚明.开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J].河南科技，2013，（5）.

[2]薛冰.压力容器开孔补强在设计中的应用[J].河南化工，2013，（10）.