趙金龍

摘要：設(shè)備開(kāi)孔是壓力容器設(shè)計(jì)及制造過(guò)程中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它有助于擴(kuò)展壓力容器的功能性，同時(shí)也為開(kāi)孔設(shè)備的維護(hù)工作提供便利。然而不正確的開(kāi)孔設(shè)計(jì)，很容易導(dǎo)致設(shè)備整體結(jié)構(gòu)受力情況發(fā)生轉(zhuǎn)變，使設(shè)備在運(yùn)行中存在較大的安全隱患，所以改善開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)水平，消除安全隱患非常必要。

關(guān)鍵詞：壓力容器;開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì);應(yīng)用

一、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

壓力容器在開(kāi)孔作業(yè)后，其自身受壓的平衡性、受壓面積以及開(kāi)孔邊緣的應(yīng)力效應(yīng)都會(huì)存在一定程度上的破壞，進(jìn)而導(dǎo)致壓力容器強(qiáng)度降低，無(wú)法達(dá)到使用要求。所以在壓力容器設(shè)計(jì)中，需要通過(guò)合理的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)措施來(lái)保證壓力的平衡性。我國(guó)對(duì)于壓力容器開(kāi)孔作業(yè)制定了一系列的規(guī)范要求，并對(duì)錐殼、圓筒以及凸形封頭的開(kāi)孔直徑做出明確規(guī)定，以增強(qiáng)容器強(qiáng)度。

二、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的限制條件和設(shè)計(jì)方法

1、限制條件

在壓力容器開(kāi)孔作業(yè)中，對(duì)于開(kāi)孔直徑、形狀均有著明確的限制：

1）在圓筒開(kāi)孔作業(yè)時(shí)，如果圓筒的內(nèi)徑在1500mm以下，那么其開(kāi)孔直徑不得大于0.5D與520mm中的較小值;如果圓筒的內(nèi)徑尺寸大于1500mm，則開(kāi)孔直徑不得大于0.33D與1000mm中的較小值。

2）球狀外殼的開(kāi)孔直徑不得超過(guò)0.5D。

3）錐形封頭的開(kāi)孔直徑要在0.33D以內(nèi)。

4）橢圓形、長(zhǎng)圓形以及圓形結(jié)構(gòu)在進(jìn)行開(kāi)孔作業(yè)時(shí)，其長(zhǎng)短軸的比例需控制在2.0以內(nèi)。

2、設(shè)計(jì)方法

開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)方法主要分為兩種，局部補(bǔ)強(qiáng)和整體補(bǔ)強(qiáng)。

1）局部補(bǔ)強(qiáng)

局部補(bǔ)強(qiáng)具有一定的針對(duì)性，是在固定位置上實(shí)施開(kāi)孔作業(yè)，且補(bǔ)強(qiáng)的面積相對(duì)較小。該種設(shè)計(jì)方式主要針對(duì)的是鋼材屈服強(qiáng)度不超過(guò)540MPa、補(bǔ)強(qiáng)厚度在殼厚度的1.5倍以下、容器殼厚度在38mm以內(nèi)的材料。其優(yōu)勢(shì)為成本低廉，操作便捷，補(bǔ)強(qiáng)時(shí)間短，適用范圍較廣。不過(guò)在使用局部補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，需要注意的內(nèi)容有：開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)位置在焊縫最大應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)前需要對(duì)焊縫進(jìn)行磨平處理和無(wú)損檢測(cè);在開(kāi)孔作業(yè)時(shí)很容易存在誤差，導(dǎo)致補(bǔ)強(qiáng)件與結(jié)構(gòu)表面的融合效率較差，很容易因?yàn)闇夭钭兓瘜?dǎo)致位置出現(xiàn)裂縫，影響容器質(zhì)量。

2）整體補(bǔ)強(qiáng)

整體補(bǔ)強(qiáng)通常被應(yīng)用在開(kāi)孔較大的容器中，補(bǔ)強(qiáng)面積相對(duì)較大，但操作卻較為簡(jiǎn)單。另外，在采用整體補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，對(duì)其技術(shù)要求相對(duì)較高，尤其是對(duì)過(guò)渡區(qū)域?qū)嵭姓w補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，一定要注重其平穩(wěn)性，避免應(yīng)力集中在一側(cè)。整體補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)主要適用于壓力高于4MPa、溫度350℃以上，且承載高危害性物品、疲勞載荷較大的壓力容器上。其優(yōu)勢(shì)在于：補(bǔ)強(qiáng)件位于開(kāi)孔應(yīng)力較大的位置上，能夠提升容器的抗疲勞性能;其次，使用對(duì)接焊縫，提高了焊接質(zhì)量。不過(guò)在使用整體補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，需要的補(bǔ)強(qiáng)件尺寸相對(duì)較大，這在一定程度上增加了制造和檢驗(yàn)難度，造成了較大的成本損耗。

三、壓力容器設(shè)計(jì)中開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

1、補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì)的應(yīng)用

補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)方式的應(yīng)用主要是為了強(qiáng)化局部補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)的效果。在實(shí)際應(yīng)用中，要先將補(bǔ)強(qiáng)板焊接在容器壁上，充分利用容器壁的金屬厚度實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度的提升。而在補(bǔ)強(qiáng)圈焊接時(shí)，應(yīng)在外部實(shí)施作業(yè)，這樣既可以降低施工難度，也可以增強(qiáng)壓力容器的抗壓能力和耐久性。在應(yīng)用補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意的內(nèi)容主要有：

首先，嚴(yán)格控制補(bǔ)強(qiáng)板厚度。在補(bǔ)強(qiáng)板選擇及其厚度確定上，設(shè)計(jì)人員需要嚴(yán)格按照容器規(guī)格、開(kāi)孔要求以及補(bǔ)強(qiáng)特點(diǎn)予以確定。通常情況，補(bǔ)強(qiáng)板厚度應(yīng)控制在容器開(kāi)孔厚度的1.5倍左右，如果超出這一范圍，很容易在焊接施工中產(chǎn)生不必要的間接應(yīng)力，破壞連接效果。在補(bǔ)強(qiáng)板材料的選擇上，一方面要對(duì)其延展性和可塑性予以充分考慮，另一方面還需對(duì)其強(qiáng)度實(shí)行把控，保證其低于400MPa。其次，結(jié)合補(bǔ)強(qiáng)圈的使用范圍合理選擇補(bǔ)強(qiáng)圈技術(shù)。補(bǔ)強(qiáng)圈不適合應(yīng)用在高氧化性和腐蝕性的壓力容器中;不適用于溫差較大的壓力容器中;不適用于承受較大荷載的壓力容器中。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合壓力容器所處環(huán)境，合理選擇補(bǔ)強(qiáng)方式。在應(yīng)用補(bǔ)強(qiáng)圈的過(guò)程中，應(yīng)合理把控焊接開(kāi)孔峰值應(yīng)力，確保其在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。在對(duì)低合金高強(qiáng)度鋼容器進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)操作時(shí)，主要以局部補(bǔ)強(qiáng)方式為主，當(dāng)局部補(bǔ)強(qiáng)達(dá)不到既定要求后，才可更換成整體補(bǔ)強(qiáng)完成作業(yè)。

2、厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用

該技術(shù)在使用過(guò)程中對(duì)于厚壁接管材料的要求相對(duì)較高，且影響因素眾多，如壓力容器運(yùn)行環(huán)境、殼體材料性能等，很容易導(dǎo)致厚壁接管材料出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中，必須要對(duì)壓力容器的運(yùn)行環(huán)境以及殼體材料性能進(jìn)行準(zhǔn)確掌握，并結(jié)合其具體要求選擇合適的補(bǔ)強(qiáng)材料。另外，在開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)環(huán)節(jié)，如果殼體材料應(yīng)力高于補(bǔ)強(qiáng)材料，則可以通過(guò)增加補(bǔ)強(qiáng)面積的方式來(lái)強(qiáng)化應(yīng)力效果;如果殼體材料應(yīng)力小于補(bǔ)強(qiáng)材料，則需要縮小補(bǔ)強(qiáng)面積，加強(qiáng)應(yīng)力的平衡性。在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將開(kāi)孔處理應(yīng)用于容器中時(shí)，邊緣的局部應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)持續(xù)上升的現(xiàn)象，此時(shí)，就因根據(jù)局部應(yīng)力分布特點(diǎn)，在遠(yuǎn)離開(kāi)孔邊緣的位置實(shí)施補(bǔ)強(qiáng)操作。

為了充分發(fā)揮補(bǔ)強(qiáng)材料的性能，提高補(bǔ)強(qiáng)質(zhì)量，可以將焊接位置設(shè)置在開(kāi)孔高應(yīng)力范圍內(nèi)。而補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)力的計(jì)算只需要將補(bǔ)強(qiáng)面積剔除即可。在使用厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)板材質(zhì)高于殼體接管材料材質(zhì)，會(huì)在一定程度上增大焊接作業(yè)的難度，導(dǎo)致壓力容器性能受損，進(jìn)而影響壓力容器使用過(guò)程中功效的發(fā)揮。在選擇接管材料時(shí)，應(yīng)以殼體本身材料性質(zhì)作為參照標(biāo)準(zhǔn)，如果發(fā)現(xiàn)殼體材料強(qiáng)度在接管材料之上，則可以通過(guò)增加接管厚度的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)流通面積的有效控制，提升焊接作業(yè)的效率，進(jìn)而保證壓力容器的安全使用。另外，鍛件加工和無(wú)縫接管可以應(yīng)用于厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)中，從而減少誤差的發(fā)生，此時(shí)如果設(shè)計(jì)壓力較小，且補(bǔ)強(qiáng)過(guò)程中對(duì)壁厚的要求較低，則可以增加對(duì)無(wú)縫鋼管的應(yīng)用。

3、整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)是壓力容器設(shè)計(jì)中較為重要的技術(shù)類型。在壓力容器開(kāi)孔操作中，很容易導(dǎo)致壓力容器強(qiáng)度下降，平衡性失衡，這時(shí)平衡殼體的應(yīng)力會(huì)使得邊緣整體鍛件出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，降低壓力容器的運(yùn)行安全性。但是采用整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)后，能夠有效避免上述現(xiàn)象的發(fā)生，保證壓力容器的強(qiáng)度和應(yīng)力的平衡性。值得注意的是，在應(yīng)用該技術(shù)過(guò)程中，必須先磨合殼體和鍛件，磨合過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，要想提升磨合效果并減少局部應(yīng)力，在應(yīng)用鍛件補(bǔ)強(qiáng)的過(guò)程中，焊接難度就會(huì)有所增加。因此，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的設(shè)計(jì)方式一般被應(yīng)用在特殊壓力容器運(yùn)行環(huán)境中。

從接管、封頭焊接位置以及接管壁厚的角度進(jìn)行分析，其最低的補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)力均存在整體鍛件中，尤其是靠近封頭位置上，存在著較為嚴(yán)重的集中應(yīng)力情況。如果只是沿著封頭壁厚的方向開(kāi)展補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)，是無(wú)法有效強(qiáng)化補(bǔ)強(qiáng)效果，增大壓力容器強(qiáng)度的。由此可以分析出，在采用厚壁接管法的過(guò)程中，較低強(qiáng)度的產(chǎn)生位置主要集中在接管頂端位置上，該位置存在著較大的應(yīng)力值，所以在補(bǔ)強(qiáng)作業(yè)時(shí)，可以采用內(nèi)伸管的方式增強(qiáng)應(yīng)力平衡性。內(nèi)伸管的結(jié)構(gòu)形式將有利于接管頂部應(yīng)力的減小，在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，內(nèi)伸管與接頭處的應(yīng)力強(qiáng)度成正相關(guān)，內(nèi)伸管長(zhǎng)度變長(zhǎng)，接頭處的應(yīng)力強(qiáng)度會(huì)變小。與補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)相比，內(nèi)伸管補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中更容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力值變化，從而強(qiáng)化補(bǔ)強(qiáng)效果。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文主要針對(duì)壓力容器設(shè)計(jì)中開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)單論述，通過(guò)上文論述可以看出，開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用是影響壓力容器設(shè)計(jì)成效的主要原因，所以在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)具體的補(bǔ)強(qiáng)要求以及壓力容器的使用環(huán)境，采取合理的補(bǔ)強(qiáng)方法，以此減少開(kāi)孔設(shè)計(jì)對(duì)壓力容器造成的不利影響，確保壓力容器的正常運(yùn)作。

參考文獻(xiàn)

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