王春霞 楊麗霞

[ 作者簡(jiǎn)介 ]

王春霞，女，山東禹城人，山東宏達(dá)科技集團(tuán)有限公司，助理工程師，本科，研究方向：壓力容器、換熱器設(shè)計(jì)與制造。

楊麗霞，女，山東煙臺(tái)人，山東宏達(dá)科技集團(tuán)有限公司，中級(jí)工程師，本科，研究方向：壓力容器、換熱器設(shè)計(jì)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?xì)怏w、液體存放的安全性。當(dāng)壓力容器能夠承受足夠強(qiáng)度的壓力時(shí)，這些壓力容器內(nèi)的物質(zhì)存儲(chǔ)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(dāng)外界環(huán)境壓力改變時(shí)，壓力容器內(nèi)外壓力差過大，壓力容器可能發(fā)生破損，內(nèi)部有毒物質(zhì)的存儲(chǔ)安全性就不能得到保證，甚至?xí)?dǎo)致有毒物質(zhì)的擴(kuò)散。開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，主要是為了降低壓力容器內(nèi)的壓力，通過在壓力容器上面開孔，使壓力容器內(nèi)外壓力差減小，保證內(nèi)部氣體、液體的存儲(chǔ)安全性。本文主要從開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的含義及其在壓力容器中的應(yīng)用現(xiàn)狀來探究分析開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

[ 關(guān)鍵詞 ]

開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)；壓力容器；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TB47

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2022.15.058

如今化工領(lǐng)域的快速發(fā)展主要得益于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展?；瘜W(xué)制品的提煉制作越來越容易，純度也越來越高，制成的化學(xué)制品質(zhì)量成分越來越穩(wěn)定，并逐步用于其他領(lǐng)域，如國防、航天，接下來也將更多地應(yīng)用到群眾的日常生活中。但與此同時(shí)，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步也帶來了許多不可控的因素及危險(xiǎn)性。例如，有了毒性更加強(qiáng)、更加容易燃燒的液體和氣體，這些物質(zhì)如果能夠合理應(yīng)用則會(huì)有益于人類化工科技的發(fā)展和進(jìn)步，但是一旦發(fā)生了泄露，后果則不堪設(shè)想。所以，對(duì)這些有毒、易燃的氣體液體的存放就會(huì)有著更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求，必須將其放在一個(gè)非常穩(wěn)定、牢固、安全的容器中，這樣既能夠保證這些物質(zhì)的存放安全，同時(shí)也能夠方便存取。開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是壓力容器生產(chǎn)過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在壓力容器壁上進(jìn)行開孔，一是為了后期安裝接管方便，二是為了后期維護(hù)保養(yǎng)方便。但無論在任何地方進(jìn)行開孔，都會(huì)對(duì)壓力容器的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成負(fù)面影響，因?yàn)殚_孔設(shè)計(jì)會(huì)破壞壓力容器本身的整體性，容易導(dǎo)致壓力容器抗壓性能變差。壓力容器一般的存放環(huán)境都比較惡劣，通常都是高溫、高壓環(huán)境，開孔設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致壓力容器各項(xiàng)性能指標(biāo)降低，出現(xiàn)不同程度的損壞，影響壓力容器的正常使用。這個(gè)環(huán)節(jié)現(xiàn)如今得到了人們較大的重視，通過對(duì)壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行合理科學(xué)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，可以有效降低由于斷層差異作用導(dǎo)致的壓力容器性能下降。開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)做好了，壓力容器承受壓力的能力就會(huì)得到提高，用這些壓力容器來存儲(chǔ)有毒易燃的氣體和液體也將會(huì)更加安全，既能為人類科技文明的進(jìn)度貢獻(xiàn)力量，也能夠有效保障人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 開孔補(bǔ)強(qiáng)的含義

開孔補(bǔ)強(qiáng)一般作為壓力容器設(shè)計(jì)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(duì)壓力容器的維修養(yǎng)護(hù)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(huì)發(fā)生不小的變化，孔洞周圍的壓力變化最為明顯，可能因?yàn)槌惺艿膲毫^大出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，就會(huì)導(dǎo)致其中存放的有毒易燃?xì)怏w、液體發(fā)生嚴(yán)重泄露，威脅化學(xué)實(shí)驗(yàn)的安全。一般來說，化學(xué)領(lǐng)域的工作環(huán)境可能比較惡劣，如果開孔處沒有進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，那么在這樣有毒、有腐蝕性的惡劣環(huán)境將會(huì)對(duì)開孔處造成更加嚴(yán)重的腐蝕，而一旦開口處被腐蝕，那么整個(gè)壓力容器的密閉性幾乎將徹底喪失，將直接影響有毒易燃?xì)怏w液體的壓力容器存放安全性，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的化學(xué)實(shí)驗(yàn)泄漏事故。因此，開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是壓力容器設(shè)計(jì)十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，將直接影響壓力容器的穩(wěn)定性和安全性。

在開孔補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的具體操作中，可以根據(jù)開孔補(bǔ)強(qiáng)的位置、數(shù)量以及其他的各種因素將補(bǔ)強(qiáng)類型分為整體補(bǔ)強(qiáng)和局部補(bǔ)強(qiáng)。

1.1 整體補(bǔ)強(qiáng)

整體補(bǔ)強(qiáng)通俗來講是一種大面積的補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，一般采用整體補(bǔ)強(qiáng)是因?yàn)閴毫θ萜鏖_孔較多，整體的強(qiáng)度不足，或者不方便運(yùn)用局部補(bǔ)強(qiáng)的方式，需要對(duì)整個(gè)壓力容器進(jìn)行全面補(bǔ)強(qiáng)。整體補(bǔ)強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)在于：一是操作簡(jiǎn)單，整體補(bǔ)強(qiáng)不需要考慮容器整體的區(qū)域強(qiáng)度會(huì)有所不同，只需要對(duì)整個(gè)容器進(jìn)行全方位的補(bǔ)強(qiáng)就可以，省去了對(duì)壓力容器各區(qū)域性質(zhì)的分析步驟；二是補(bǔ)強(qiáng)位置全面，由于是對(duì)整個(gè)壓力容器進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，所以不會(huì)存在補(bǔ)強(qiáng)后某一區(qū)域強(qiáng)度不足的情況，而且整體補(bǔ)強(qiáng)也能對(duì)強(qiáng)度足夠的區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的加固；三是能夠提升開孔補(bǔ)強(qiáng)的工作效率，一旦出現(xiàn)壓力容器開孔較多的現(xiàn)象，那么對(duì)局部進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)將會(huì)相對(duì)麻煩而且工作效率低，針對(duì)多孔的壓力容器，對(duì)壓力容器進(jìn)行整體補(bǔ)強(qiáng)能夠有效提升開孔補(bǔ)強(qiáng)的工作效率。

1.2 局部補(bǔ)強(qiáng)

局部補(bǔ)強(qiáng)相對(duì)于整體補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)來說，主要是運(yùn)用更加有針對(duì)性的補(bǔ)強(qiáng)方法對(duì)壓力容器上的開孔壓力強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)充。局部補(bǔ)強(qiáng)的應(yīng)用范圍相對(duì)整體補(bǔ)強(qiáng)來說會(huì)更加廣泛，一般來說，除非有特殊的情況，對(duì)壓力容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)都是利用局部補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行的。局部補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)的特點(diǎn)較為突出，局部補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)可以有針對(duì)性地對(duì)壓力容器某一處開孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，不需要像整體補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)那樣大面積地對(duì)壓力容器進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)操作，所以所需要的補(bǔ)強(qiáng)材料也能夠更加節(jié)省，補(bǔ)強(qiáng)的零部件在經(jīng)過焊接之后可以與壓力容器作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)承載壓力，抗疲勞性能較好。

2 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

壓力容器開孔處的受力程度是開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)要考慮的極為重要的一個(gè)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(tài)，三種形態(tài)之間有著較為明顯的差異，所以在開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中要根據(jù)受力情況的不同選擇合理的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法。第一，如果是峰值受力的話，開孔補(bǔ)強(qiáng)主要需要考慮的是壓力容器面對(duì)壓力變大的抗疲勞度和對(duì)壓力容器的破壞力。如果只考慮到壓力增大會(huì)對(duì)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(gè)開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)就是失敗的，而且實(shí)踐表明這樣的壓力容器依舊會(huì)遭到嚴(yán)重的、不可逆的破壞，不能作為一個(gè)合格產(chǎn)品投放到化工領(lǐng)域用來儲(chǔ)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(xù)穩(wěn)定性能，壓力容器的穩(wěn)定性好，有毒易燃?xì)怏w液體的存放才會(huì)更加安全。如果不注意彎曲受力的話，壓力容器的穩(wěn)定性將會(huì)大大降低，即使能夠存儲(chǔ)有毒易燃的氣體液體，也會(huì)由于穩(wěn)定性不足導(dǎo)致泄漏現(xiàn)象的發(fā)生。第三，局部薄膜受力的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)主要關(guān)注的重點(diǎn)是如何應(yīng)對(duì)壓力容器壓力不穩(wěn)定的現(xiàn)象，因此要確保開孔的地方的受力情況能夠滿足開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的所有需要。壓力容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)要能夠全面考慮到這三種不同的情況，要更多地結(jié)合好這三種不同的需求，有針對(duì)性地設(shè)計(jì)不同的壓力補(bǔ)強(qiáng)的壓力容器，使之能夠適合不同環(huán)境不同情況，提高安全性能，保證存儲(chǔ)的安全性。

3 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探析

3.1 通過連接厚壁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)

承壓能力和壁厚之間的計(jì)算公式是：壓力=（壁厚×2×抗拉強(qiáng)度）/（外徑×系數(shù)），在壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)的各種手段中，對(duì)厚壁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的做法比較普遍的一種，在開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)厚壁進(jìn)行連接時(shí)，一般要綜合考慮厚壁連接的材質(zhì)，而且要結(jié)合壓力容器壁面的材質(zhì)，考慮到壓力容器的使用場(chǎng)所、環(huán)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(bǔ)強(qiáng)的材質(zhì)與開孔處的材質(zhì)有出入的話，就會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)強(qiáng)之后的穩(wěn)定性極差，在外力作用下，這樣的壓力容器極其不穩(wěn)定，容易發(fā)生危險(xiǎn)，不僅導(dǎo)致壓力容器無法正常使用，而且存儲(chǔ)在內(nèi)部的有毒易燃?xì)怏w液體也會(huì)發(fā)生泄露，甚至發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成更大的危害。開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)對(duì)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(qiáng)度，但是對(duì)于受力強(qiáng)度的把控又要十分精準(zhǔn)，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(qiáng)度要高于或者低于壓力容器的受力強(qiáng)度，就會(huì)嚴(yán)重影響壓力容器的補(bǔ)強(qiáng)效果，也將會(huì)進(jìn)一步影響整體的補(bǔ)強(qiáng)效果。開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中的厚壁連接可以選擇鍛造件，鍛造件的精細(xì)化程度相對(duì)于其他產(chǎn)品來說更高，能夠有效避免加工出現(xiàn)誤差導(dǎo)致的不精確而影響開孔補(bǔ)強(qiáng)的效果。但值得注意的是，選擇鍛造件并不能盲目，需要根據(jù)壓力容器所面臨的環(huán)境和所需要承受的壓力大小來進(jìn)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(huán)境的。

3.2 通過補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

補(bǔ)強(qiáng)圈主要應(yīng)對(duì)的是局部薄膜受力問題，這樣的設(shè)計(jì)能夠進(jìn)一步保證壓力容器的安全性能，增強(qiáng)壓力容器儲(chǔ)存的能力。通過補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)如下。第一，考慮壓力容器的旋轉(zhuǎn)場(chǎng)所和存儲(chǔ)物。如果壓力容器要放在一個(gè)環(huán)境溫度差別很大的地方，而且壓力容器內(nèi)要存放具有很強(qiáng)腐蝕性的物質(zhì)的時(shí)候，則不建議使用補(bǔ)強(qiáng)圈的方式進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)，因?yàn)橥獠凯h(huán)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(nèi)部由于存儲(chǔ)著具有強(qiáng)腐蝕性的物質(zhì)，這也要求壓力容器同時(shí)要具備很好的抗腐蝕性，而補(bǔ)強(qiáng)圈并不能夠很好地做到這兩點(diǎn)。如果壓力容器開孔處的負(fù)荷不適合補(bǔ)強(qiáng)圈的話，就需要考慮利用其他的方式方法對(duì)壓力容器進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)。第二，補(bǔ)強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)制作過程要嚴(yán)格按照國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。值得注意的是，在補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì)和制作的時(shí)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(qiáng)度要低于540兆帕，如果補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度超過了壓力容器的壁厚，那么就會(huì)導(dǎo)致在焊接時(shí)候難度突然增大，而且影響焊接的效果，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致在焊接過程中由于受熱過度使鍛造的補(bǔ)強(qiáng)圈發(fā)生形變甚至斷裂，最終會(huì)導(dǎo)致因?yàn)檠a(bǔ)強(qiáng)圈的問題影響到壓力容器的正常使用和存儲(chǔ)。通過上述會(huì)發(fā)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)圈對(duì)于壓力容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)有著重要的作用，所以設(shè)計(jì)人員必須要重視補(bǔ)強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)問題，對(duì)補(bǔ)強(qiáng)圈的厚度、材質(zhì)要進(jìn)行嚴(yán)格的把關(guān)，確保補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì)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(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

整體鍛造相比于其他開孔補(bǔ)強(qiáng)的方式優(yōu)勢(shì)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(bǔ)強(qiáng)主要是因?yàn)閴毫θ萜鞔娣诺沫h(huán)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(wěn)定，容易發(fā)生各類的碰撞等。壓力容器對(duì)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(shù)點(diǎn)后兩位甚至更多，這樣就需要整體鍛造，整體鍛造補(bǔ)強(qiáng)能夠在滿足這些需求的同時(shí)有效控制好成本。但是，由于需要對(duì)壓力容器進(jìn)行整體鍛造，所以工藝水平要求較高。相對(duì)于其他幾類補(bǔ)強(qiáng)方式來說，整體鍛造是最難實(shí)現(xiàn)也最難大量采用的補(bǔ)強(qiáng)方式，但由于其精度高、補(bǔ)強(qiáng)效果明顯，仍然會(huì)有部分需求采取整體鍛造的方式對(duì)壓力容器進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。整體鍛造補(bǔ)強(qiáng)的限制條件為抗拉強(qiáng)度小于540兆帕，補(bǔ)強(qiáng)圈厚度要小于1.50牛，設(shè)計(jì)溫度要低于350攝氏度。

4 結(jié)束語

總而言之，本文通過仔細(xì)研究，分析查找，走訪論證，得出開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)主要通過厚壁管連接、補(bǔ)強(qiáng)圈及整體鍛造三種方式，這三種方式各有不同的側(cè)重，也同樣各有優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過合理運(yùn)用都能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力容器的補(bǔ)強(qiáng)。壓力容器是化工領(lǐng)域重要的存儲(chǔ)設(shè)備，按照規(guī)定認(rèn)真正確地使用將會(huì)給我們的化學(xué)領(lǐng)域試驗(yàn)和發(fā)展帶來更大的便利，能夠存儲(chǔ)許多棘手的物質(zhì)，又能保證這些物質(zhì)的安全。但使用不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)的有毒易燃?xì)怏w、液體發(fā)生泄漏，危害人民生命安全，造成大量財(cái)產(chǎn)損失，影響化工領(lǐng)域的快速發(fā)展，影響到我國化工領(lǐng)域在國際上的地位。因此，設(shè)計(jì)人員要重視壓力容器的安全性，充分認(rèn)識(shí)開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)對(duì)于壓力容器補(bǔ)強(qiáng)的重要性，持續(xù)關(guān)注著開孔補(bǔ)強(qiáng)在壓力容器中的應(yīng)用作用，通過不斷論證，查閱資料，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，提供一些更加有建設(shè)性的意見對(duì)策，讓開孔設(shè)計(jì)在壓力容器中的應(yīng)用越來越廣泛，讓壓力容器的安全性越來越高。

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