任建誠(chéng)

（上海河圖工程股份有限公司武漢分公司，湖北 武漢 430000）

實(shí)際設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)中，不可避免的要對(duì)壓力容器進(jìn)行開(kāi)孔。壓力容器開(kāi)孔后，在接管與殼體的連接處會(huì)產(chǎn)生很大的局部應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力比較特殊，有很大的局限性，其應(yīng)力值與離開(kāi)孔邊緣的距離成反比，距離越遠(yuǎn)，應(yīng)力值越小。因此，為了降低該區(qū)域的應(yīng)力集中，可以在開(kāi)孔附近局部補(bǔ)強(qiáng)。

世界各國(guó)所用的補(bǔ)強(qiáng)方法各不一樣，每種方法采用的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則也都不一樣，主要如下：等面積補(bǔ)強(qiáng)法，極限分析法，彈塑性失效等方法。

等面積法和應(yīng)力分析法是我國(guó) GB 150.1～GB150.4-2011 《壓力容器》（下面簡(jiǎn)稱(chēng)GB150 ）中的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算所采用的兩種方法。應(yīng)力分析法主要是根據(jù)彈性薄殼理論，本篇不做討論。在這里，我們主要對(duì)等面積法及補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

1 等面積法及限制

為了維持容器整體屈服強(qiáng)度，殼體在開(kāi)孔后，用來(lái)補(bǔ)強(qiáng)的金屬量需要大于或等于因開(kāi)孔而損失的金屬量，這就是等面積補(bǔ)強(qiáng)法。等面積補(bǔ)強(qiáng)法是根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)后，強(qiáng)度安全系數(shù) 4～5 確定，主要不降低殼體開(kāi)孔后的平均應(yīng)力。等面積補(bǔ)強(qiáng)方法是以無(wú)限大平板開(kāi)小孔的理論作為基礎(chǔ)的，其安全可靠，使用簡(jiǎn)便，能提供足夠的安全裕量即使其在內(nèi)壓，彎矩，推力等的共同作用下。

在 GB150中，采用等面積法時(shí)對(duì)開(kāi)孔直徑及開(kāi)孔長(zhǎng)短軸之比做出了限制，下面內(nèi)容會(huì)詳細(xì)提到。

2 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)截面的選取的原因

GB150第6.3.3.1 中對(duì)開(kāi)孔截面有詳細(xì)規(guī)定，在此不做重復(fù)介紹，主要說(shuō)明下為選取那些截面的原因：圓筒厚度計(jì)算公式針對(duì)的是環(huán)向薄膜應(yīng)力，而圓筒承受此應(yīng)力的截面是縱向截面，因此，開(kāi)孔削弱的計(jì)算截面也應(yīng)是縱向截面，即上面所提到的垂直于殼體表面的截面。

3 對(duì)開(kāi)孔直徑及開(kāi)孔長(zhǎng)短軸之比做出限制的原因

當(dāng)殼體的開(kāi)孔超出 GB150 等面積補(bǔ)強(qiáng)的適用范圍（大開(kāi)孔）時(shí)，等面積補(bǔ)強(qiáng)法將不再適用。這是由等面積補(bǔ)強(qiáng)法的理論基礎(chǔ)決定的，等面積補(bǔ)強(qiáng)法是架設(shè)在無(wú)限大平板開(kāi)小孔的基礎(chǔ)上的，當(dāng)開(kāi)孔較小時(shí)，滿(mǎn)足這個(gè)假設(shè)基礎(chǔ)，應(yīng)力的增大可以用等面積的金屬來(lái)補(bǔ)償，其誤差在允許范圍內(nèi)。而當(dāng)開(kāi)孔較大時(shí)，其超出了小開(kāi)孔大平板的理論分析模式，用等面積補(bǔ)強(qiáng)法就不能滿(mǎn)足補(bǔ)償強(qiáng)度的要求了，尤其是在孔邊附近應(yīng)力集中增大，用等面積法均勻的金屬面積來(lái)補(bǔ)償顯然不能符合要求。因此，GB150上對(duì)開(kāi)孔直徑做出了限制。

殼體開(kāi)孔時(shí)的受力比較復(fù)雜。采用等面積法時(shí)只考慮了開(kāi)孔截面處產(chǎn)生的平均應(yīng)力，而忽略了開(kāi)孔邊緣處的有應(yīng)力集中以及在開(kāi)孔區(qū)域局部高應(yīng)力部位的存在安定性問(wèn)題。當(dāng)在圓筒形殼體上開(kāi)縱向長(zhǎng)圓形（橢圓形）孔的時(shí)，尤其是當(dāng)長(zhǎng)短軸之比較大的時(shí)候，很容易產(chǎn)生不安定問(wèn)題，在長(zhǎng)軸頂點(diǎn)處產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，為了避免過(guò)大的局部彎曲應(yīng)力，解決這個(gè)安定性問(wèn)題，因此必須限制開(kāi)孔形狀及長(zhǎng)短軸之比，所以長(zhǎng)短軸之比小于或等于 2的是在采用等面積補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算方法特別要注意又特別容易忽略的一個(gè)問(wèn)題，對(duì)此，GB150上也做出了相關(guān)規(guī)定。

4 補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

GB150 中提到的有補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)和整體補(bǔ)強(qiáng)兩種方法。

為了降低開(kāi)孔邊緣處的峰值應(yīng)力，就需要增大承受應(yīng)力的金屬截面積，于是為了增加開(kāi)孔邊緣處的強(qiáng)度，我們就在器壁上額外焊接一塊補(bǔ)強(qiáng)板，這就是補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)。最大應(yīng)力值取決于補(bǔ)強(qiáng)圈的位置，在容器壁內(nèi)外側(cè)對(duì)稱(chēng)布置比在容器外表面完全布置的應(yīng)力集中要小，在類(lèi)似情況下，布置于內(nèi)表面的比布置在外表面的應(yīng)力集中要小些。如果容器要求承受交變壓力的作用，從抗疲勞能力看，選擇內(nèi)外兩側(cè)的補(bǔ)強(qiáng)圈比其他形式補(bǔ)強(qiáng)圈合適，但由于介質(zhì)等情況及考慮焊接的方便，一般是把補(bǔ)強(qiáng)圈放在器壁外側(cè)。

為了使補(bǔ)強(qiáng)圈起到補(bǔ)強(qiáng)作用，需要使補(bǔ)強(qiáng)圈與容器器壁之間焊接的很好，讓器壁與補(bǔ)強(qiáng)圈同時(shí)受力，因此一般在補(bǔ)強(qiáng)圈上有一個(gè)小孔，供通壓縮空氣來(lái)檢查焊縫緊密性的。然而補(bǔ)強(qiáng)圈與器壁之間會(huì)因?yàn)殚g隙的存在，形成一層薄的空氣靜止層，使傳熱效果變差，附加的溫差應(yīng)力因此而產(chǎn)生。在搭接焊根處，往往因裝配間隙引起附加的彎矩，使應(yīng)力增大。另外，補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)抗疲勞性能不好，其不是一個(gè)整體，會(huì)有間隙的存在。補(bǔ)強(qiáng)圈與容器壁處的搭接焊縫，也會(huì)產(chǎn)生較高的局部應(yīng)力，由于此處結(jié)構(gòu)的不連續(xù)，形狀突變而造成；還會(huì)產(chǎn)生焊接裂紋，尤其是高強(qiáng)度鋼，因其本身淬硬性大對(duì)焊接裂紋更加敏感，更易開(kāi)裂，產(chǎn)生焊接裂紋是由于容器器壁對(duì)焊縫金屬在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的約束作用，妨礙了其冷卻收縮。而采用焊前預(yù)熱及焊后熱處理等措施就可以很好的防止產(chǎn)生焊接裂紋的產(chǎn)生。鑒于以上原因，在采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)時(shí)， GB150中對(duì)低合金鋼的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度，補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度以及殼體開(kāi)孔處的名義厚度均作出相關(guān)規(guī)定，同時(shí)，對(duì)有較大的溫度梯度及承受交變載荷的場(chǎng)合不宜采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)。

整體補(bǔ)強(qiáng)有以下方法：

1 增加殼體的厚度；

2 把厚壁管或整體補(bǔ)強(qiáng)鍛件與殼體用全焊透的方式相焊。

整體補(bǔ)強(qiáng)中的厚壁管補(bǔ)強(qiáng)是指在容器開(kāi)孔處焊上一個(gè)加厚的短管.

由于整體補(bǔ)強(qiáng)是直接在開(kāi)孔處應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，其效果很好，因此特別適用于低合金高強(qiáng)度鋼容器的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)。

不論是用補(bǔ)強(qiáng)圈還是厚壁管補(bǔ)強(qiáng)，所用補(bǔ)強(qiáng)厚度都不宜過(guò)大，否則會(huì)使補(bǔ)強(qiáng)連接處形狀突變，引起應(yīng)力增大。

整體補(bǔ)強(qiáng)鍛件補(bǔ)強(qiáng)一般用于重要設(shè)備及開(kāi)孔直徑大的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)上。在容器上開(kāi)排孔或開(kāi)孔多時(shí)，采用這種結(jié)構(gòu)是比較經(jīng)濟(jì)的。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我們?cè)趬毫θ萜鏖_(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)要注意此開(kāi)孔是否在所選方法的適用范圍內(nèi)，在此基礎(chǔ)上，選用合適的補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全合理的設(shè)計(jì)是我們每個(gè)設(shè)計(jì)人所應(yīng)當(dāng)具備的能力。

[1]GB150.1-150.4-2011，壓力容器.

[2]HG/T 20583-2011，鋼制化工容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定[S].

[3]李世玉，等.壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程[M].北京：新華出版社，2005.