开孔补强设计在压力容器设计中的应用

杨巧莲+江鹏

摘 要： 压力容器，一般是工业生产中用于完成产品反应、传质、传热、分离、储存等生产工艺过程并在此过程中承受压力载荷的密闭容器，是石油石化工业、能源工业、科研、军工等国家重要产业的重要设备，其的安全性关系着我国国民经济的发展。开孔补强设计是压力容器设计中必不可缺的部分，开孔补强设计的计算与标准在压力容器设备中也具有相关规定，然而，在开孔补强设计的实际应用中，其的安全性能、合理性能、成本高低等都需经过实际验证，本文主要对开孔补强设计在压力容器设计中的应用进行分析，以此提高压力容器的性能，促进国民经济的发展。

关键词： 开孔补强设计；压力容器设计；应用

前言：在设计压力容器过程中，为了使压力容器的性能发挥至最大在压力容器的容器壁上开孔并连接接管是不可缺少的。然而，开孔处理不可避免的对容器带来一定的损伤，影响了压力容器的整体牢固性能，降低了压力容器对压力的承受能力，导致压力容器出现薄弱环节。另外，压力容器长期处于高温状态下工作，在压力容器壁的开孔以及接管连接处这一受压薄弱环节将会受高温影响，同时，由于制造材料上的不足等因素，导致压力容器的开孔处与接管处产生失效、破裂现象，影响了压力容器的安全性能[4]。因此，在压力容器的设计制造中，根据国家相关规定对其进行开孔补强设计，以此弥补压力容器的薄弱之处，提高压力容器的安全性能与质量。

1、开孔补强设计的简单概述

1.1、开孔补强设计的重要性

在进行压力容器的设计中，开孔处理的操作极为常见。一般来讲，在压力容器壁上开孔多是为了后期接管方便，满足压力容器的功能齐全，除此外，在对压力容器进行全面维修与养护、调试之时，相关人员也经常会对容器壁进行开孔处理，保证容器的正常运行。然而，压力容器本身是一个密闭的容器，其在运行的过程中承受着压力的荷载，而开孔处理使得压力容器内部应力出现断层差异[2]，在很大程度上降低了容器对压力的荷载能力，降低了容器的性能。除此外，在开孔处接管促使容器内部受力不均问题凸显，另外应容器材料问题等多方因素，造就了压力容器难以达到设计时的效果，极大降低了压力容器的性能。据17年某地发生的石油石化企业的密闭容器爆炸事件调查，造成故障发生的原因竟是相关工作人员在检修时在容器壁上进行开孔，然却疏忽了开孔补强设计，最终导致事故发生，由此可见，在设计压力容器或容器检修时，了解容器的相关规范，在保证容器性能的同时，对开孔进行补强设计极为重要。

1.2、开孔补强设计的公式

在相关技术人员对容器开孔进行补强设计时，除了对补强方法、容器内部应力等的思考外，还应注意对补强设计的计算。目前，补强设计所应用的计算方法主要是a+b+c≥d，在此公式中，a表示补强设计时的多余面积，a=容器壳体有效厚度-计算厚度。b也是表示多余面积，与a不同的是，b=接管的有效厚度-计算厚度。c表示补强区域焊接时的金属截面积。d指的是压力容器开孔补强的面积，由此公式可看出，并不是所有的压力容器均需补强，在压力容器设计实行补强设计前夕，需进行多方测量与计算来确定。

2、开孔补强方法的选择

2.1、等面积补强法

等面积补强法的原则：在容器与接管连接处周围的补强面积等同于壳体开孔时所减少的截面积。等面积补强法的特点：安全可靠、使用简便、多用于中低压容器的开孔补强中。

2.2、极限分析法

極限分析法的原则：分析实验应力，并根据不同接管、不同参数来测量应力集中参数，并绘出K=f（d、D、S0、S1）曲线，根据曲线图进行计算[4]。极限分析法的特点：多用于对设备要求不高、容器仅受蠕变范围之外的恒定压力作用下的开孔补强[3]。

2.3、安定性准则法

安定性准则法的原则：计算时，若一次薄膜应力+二次薄膜应力<两倍屈服应力值，则容器安全性有保障。安定性准则法的特点：多用于受循环压力作用的容器，且开孔结构满足安定性准则情况下应用，防止受到高应变疲劳或增量破坏而降低容器的性能[6]。

3、开孔补强设计在压力容器设计中的运用

3.1、补强圈补强设计在压力容器设计中的应用

补强圈补强，其主要施工方法为在容器壁上另外焊接一块补强板来增加开孔处的承载面积，增大承受应力的金属面积，降低开口边沿的应力峰值。补强圈的设计位置关系着容器应力值的变化，对应力值具有较大影响，在开孔补强设计的发展中，相关研究人员对补强圈的设计与应力值的变化进行了严格的实验，实验的成果证明，当相同截面积的金属材料补强圈设在容器不同位置时，其对应力系数的变化具有较大影响；当补强材料均匀分布于容器内外两侧，材料的对称性避免了附加弯矩以及弯曲应力的产生。

3.2、整体锻件补强设计在压力容器设计中的应用

整体锻件补强设计时补强设计中的重要方法，起主要作用是降低压力容器外壳的应力值，避免新应力产生影响容器的整体性能，是补强效果最大化。然而，整体锻件补强设计在应用中具有较高的限制，尤为突出的一条即为在壳体过渡时保持平缓度[1]。且在应用整体锻件设计时，对过渡中所存在的某一具备过多应力的点实行严格的预防控制。相关工作者为全面了解补强与容器性能间所存在的问题，对各种补强设计进行大量实践，实践结果表明，整体锻件补强设计方式对保持容器的性能具有很好的效果，却因各种因素的影响，在具体施工中，操作难度大，花费成本高，对施工技术要求具有较高标准，若是存在任何一项因素未达标现象，则对整体补强效果带来极为不利的影响。

3.3、厚壁接管补强设计在压力容器设计中的应用

在压力容器设计中，经常使用的是厚壁补强的方式进行容器壁的开孔补强，在厚壁接管补强中，最重要的一点材料选择，其材料选择的方式多是根据容器壳体的外形特点以及使用条件进行选取，一般情况下，厚壁接管补强的材料多与容器所用材料相同，以此确保两者间的金属特性与强度一致。根据相关科研人员研究表明，在进行厚壁接管补强时，选择材料的强度等级高于容器壳体材料的等级时，其对容器的开孔补强效果而言，并未起到效果增强的作用，相反，不匹配的材料为容器造成了一定的负担，影响了压力容器的整体性能[5]。另外，在厚壁接管补强设计时，采用无缝钢管与锻件间进行加工制作后，能有效的减少加工误差，避免不利影响，提高容器的性能，对此，当容器压力较大且补强厚壁较大时，采用锻件加工所带来的效果更好。

4、总结语

综上所述，想要保证压力容器功能强大，性能完好，在压力容器壁上开孔设计不可缺少，然开孔对压力容器的结构与性能均产生一定影响，开孔补强技术因此而被广泛应用于压力容器的设计中。在开孔补强设计中，应根据容器自身特点进行补强，进一步增强容器应用的安全性，避免容器遭受不必要的损害，保证压力容器的质量。■

参考文献

[1]刘亚明. 开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J]. 河南科技， 2013（9）：42-42.

[2]周金卫. 开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J]. 化工管理， 2014（23）：45-45.

[3]王建波. 开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J]. 化学工程与装备， 2014（10）：129-130.

[4]李君民， 王立志. 开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J]. 门窗， 2014（11）：371-371.

[5]张倩， 蔡继红. 开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J]. 城市建设理论研究：电子版， 2014（18）：179-179.

[6]黄棣华. 开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J]. 企业技术开发， 2014（8）：71-71.endprint