开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析

黄棣华

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

中图分类号：TH49 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）23-0071-01

在压力容器理论设计阶段，对压力容器进行开孔设计是必不可少的。通常情况下，压力容器会在容器壁上开孔，大部分情况下是为了满足能够安装在容器上的接管需要，另外，为了便于压力容器的其他检测、测试功能的需要也会进行开孔操作或者为了能够便于压力容器的日常维护、维修等调试操作同样需要进行开孔操作。当然，进行压力容器的开孔操作势必会对压力容器的压力造成影响，进而会影响到压力容器的结构强度，不仅降低了压力容器的压力标准，也影响了压力容器的安全性。由于压力容器的开孔操作会使得开孔局部部位存在受力不均的现象，而造成不同部位的压力差升高，造成的后果是压力容器的承受能力会降低。另外，压力容器由于工作环境的因素，开孔部位会长时间暴露在高压或者高温的状态下，这样增加了开孔部位不安全的因素。同时，不安全因素还有开孔部位的连接材料并不能得到保障，进而造成了开孔部位发生破损的风险，对压力容器造成更大的不安全因素。根据国家压力容器设计相关规定，在压力容器设计阶段必须针对开孔做补强设计，降低出现开孔操作以后的安全风险。一旦开孔操作，往往会降低压力容器开孔部位的壁厚，强度会随着壁厚的降低而减弱，压力容器的安全稳定性就会出现危险的风险，降低风险的有效途径是在开孔部位做相应的补强设计，进而实现压力容器高效运作和安全生产的目标。

1 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。

2 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。

3 结 语

總之，开孔补强设计在压力容器设计中不可缺少，是压力容器安全以及性能的重要保障。同时，需要在设计操作过程中，根据实际环境的不同进行合理的补强方式，通过结合不同方式的优点来对设计补强，有利于压力容器的正常运作，降低风险。

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