劉亞明

（宜興市格蘭特干燥濃縮設(shè)備有限公司，江蘇 宜興 214200）

壓力容器的設(shè)計中，在壓力容器的容器壁上開孔對于壓力容器的設(shè)計制造過程是必不可少的。經(jīng)常開孔是為了在壓力容器上安裝接管作為壓力容器功能的需要，或在壓力容器的容器壁上開孔為了方便壓力容器的維修、維護，或是設(shè)備調(diào)試、安裝的需要。然而，在壓力容器的容器壁上開孔無疑會使壓力容器的整體結(jié)構(gòu)強度受到影響，降低了壓力容器承受壓力的能力，從而使壓力容器的局部應(yīng)力存在斷層差異。而對已需要在容器壁開孔或接管的部位，局部應(yīng)力差更高，對于壓力容器的承力強度造成了很大影響。此外，由于壓力容器長期在高溫高壓環(huán)境下工作，開孔和接管等的連接處在高溫高壓環(huán)境下的局部應(yīng)力不連續(xù)的影響被無限放大，同時由于制造材料上的缺陷等綜合因素的影響，壓力容器極易在開孔處發(fā)生失效甚至破損，嚴(yán)重影響了壓力容器的安全性能。因此按照國家壓力容器設(shè)計制造規(guī)范《壓力容器》（GB150-2011）中的規(guī)定，必須對壓力容器的開孔做補強設(shè)計。

一 補強圈補強設(shè)計在壓力容器中的應(yīng)用

局部補強是設(shè)計壓力容器開孔補強的主要手段之一，其中采用補強圈補強設(shè)計被壓力容器補強設(shè)計廣泛利用。補強圈補強的方法是通過在壓力容器的容器壁上焊接補強板，從而增加開孔處容器壁的金屬厚度，達到增加金屬開孔邊緣的強度實現(xiàn)開孔補強目的?？紤]到壓力容器加工制造過程中，從容器壁的外部焊接補強板比在容器內(nèi)部焊接補強板更具操作性，因此通常在壓力容器容器壁的外部焊接補強板，并且實驗證明在容器壁的外部焊接補強板對于容器的抗疲勞強度效果的提升更具優(yōu)勢。

采用補強圈局部補強的方式進行開孔補強設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)注意以下幾點：首先，對于開孔補強設(shè)計的補強板的厚度設(shè)計必須有嚴(yán)格的選擇。通常情況下，補強板的厚度不應(yīng)當(dāng)超過容器開孔處名義厚度的1.5倍，實際操作中的經(jīng)驗表明，如果補強板的厚度超過容器開孔處名義厚度的1.5倍，焊接時，由于厚度過大，焊接角必然增大，由此導(dǎo)致不連續(xù)應(yīng)力過大。同時補強板選用的鋼材必須有較好的塑性和延展性，選用的補強板的鋼材的屈服強度ReL在常溫狀態(tài)下一般應(yīng)不大于400兆帕。其次，對于以下情況不宜使用補強圈補強方式：對于腐蝕性較強和氧化性較強以及溫差變化較大的使用環(huán)境下的壓力容器不宜采用補強圈補強方式；同時對于承受載荷變化較大也不宜采用補強圈補強方式。由于用作補強的金屬都直接處在開孔峰值應(yīng)力區(qū)域，補強效果很好，故常使用于低合金高強度鋼容器的開孔補強。對于要求較高的容器或局部補強形式不適合的開孔補強，應(yīng)采用整體補強。

二 厚壁接管補強設(shè)計在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用

厚壁接管補強也是壓力容器設(shè)計中開孔補強的主要方法之一。厚壁接管的材料選擇是補強設(shè)計的首要步驟，厚壁接管補強設(shè)計的材料應(yīng)當(dāng)根據(jù)殼體材料的特性和使用條件來選擇。通常情況下，厚壁接管補強設(shè)計中選擇的補強材料與壓力容器殼體材料應(yīng)當(dāng)相同或?qū)儆谕活?，以保證金屬特性和強度相同。GB 150.3-2011第6章開孔和開孔補強中規(guī)定，開孔所需的補強面積為

接管有效補強面積為

式(1)、(2)中fr為強度削弱系數(shù)，它等于設(shè)計溫度下接管材料與殼體材料許用應(yīng)力之比值，當(dāng)該比值大于1.0時，取其值為1.0。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)中的公式可見，在進行厚壁接管補強時，選擇強度等級高于母材殼體的接管材料對于補強效果不僅沒有正面影響反而有負面影響，這是因為選擇強度較高的接管材料，對焊接效果會產(chǎn)生不利影響，從而影響了整體補強結(jié)構(gòu)的性能。同時，選用強度等級比母材殼體低的接管材料，必須要增加一定的接管壁厚才能保證補強效果，同時還應(yīng)當(dāng)減少接管流通面積，這樣對焊接效果也有一定的負面影響，因此也不利于整體補強效果的提升。而在厚壁補強設(shè)計中可采用無縫鋼管或鍛件加工制作，以減少加工誤差導(dǎo)致的負面影響，當(dāng)設(shè)計壓力不高，補強要求所需要的壁厚不大時采用無縫鋼管；而當(dāng)設(shè)計壓力要求較高，補強要求的壁厚較大時，則應(yīng)當(dāng)選用鍛件加工來滿足補強需求。

三 整體鍛件補強設(shè)計在壓力容器設(shè)計中的應(yīng)用

開孔補強設(shè)計的基本要求是通過補強金屬加強殼體因開孔引起的強度削弱的效應(yīng)，同時通過補強不引起新的應(yīng)力集中。[1]同等條件下整體鍛件補強結(jié)構(gòu)使殼體應(yīng)力水平降低的程度最大，沒有產(chǎn)生新的應(yīng)力大點。因此相對于補強圈補強和接管補強設(shè)計而言，整體鍛件的補強設(shè)計在壓力容器的補強效果中是最好的。但整體鍛件補強與殼體的過渡要求比補強圈要嚴(yán)格，必須保證殼體和整體鍛件平緩過渡，避免在過渡區(qū)殼體一側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中。在實際加工制造過程中，由于整體鍛件補強方法對于過渡焊縫的要求過高，因此導(dǎo)致加工難度增大，加工成本過高。對于設(shè)計精度要求較高和使用環(huán)境惡劣的壓力容器補強設(shè)計才采用整體鍛件補強法。

四 結(jié)論

開孔補強設(shè)計作為壓力容器設(shè)計的重要組成之一，為避免開孔對容器壁強度的破壞和避免在殼體與連接處產(chǎn)生過高的局部應(yīng)力集中，應(yīng)當(dāng)重視開孔補強設(shè)計的應(yīng)用和研究，減少開孔對壓力容器帶來的安全隱患，提高壓力容器的可靠性和安全性。

[1]路智敏，趙利利.圓柱殼開孔補強結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007；（04）.

[2]GB 150.3-2011,壓力容器[S].

[3]柏文廣，劉宜國.淺析壓力容器開孔補強設(shè)計方法[J].化學(xué)工程與裝備，2009（11）.