开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析

王春霞 杨丽霞

[ 作者简介 ]

王春霞，女，山东禹城人，山东宏达科技集团有限公司，助理工程师，本科，研究方向：压力容器、换热器设计与制造。

杨丽霞，女，山东烟台人，山东宏达科技集团有限公司，中级工程师，本科，研究方向：压力容器、换热器设计与制造。

[ 摘要 ]

压力容器能够承受压力的大小直接决定着有毒或者易燃气体、液体存放的安全性。当压力容器能够承受足够强度的压力时，这些压力容器内的物质存储就有足够的安全性；反之，如果压力容器承受压力的能力不足，那么当外界环境压力改变时，压力容器内外压力差过大，压力容器可能发生破损，内部有毒物质的存储安全性就不能得到保证，甚至会导致有毒物质的扩散。开孔补强设计，主要是为了降低压力容器内的压力，通过在压力容器上面开孔，使压力容器内外压力差减小，保证内部气体、液体的存储安全性。本文主要从开孔补强结构的含义及其在压力容器中的应用现状来探究分析开孔补强设计在压力容器设计中的应用。

[ 关键词 ]

开孔补强设计；压力容器；应用

中图分类号：TB47

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2022.15.058

如今化工领域的快速发展主要得益于科学技术的进步与发展。化学制品的提炼制作越来越容易，纯度也越来越高，制成的化学制品质量成分越来越稳定，并逐步用于其他领域，如国防、航天，接下来也将更多地应用到群众的日常生活中。但与此同时，科学技术的进步也带来了许多不可控的因素及危险性。例如，有了毒性更加强、更加容易燃烧的液体和气体，这些物质如果能够合理应用则会有益于人类化工科技的发展和进步，但是一旦发生了泄露，后果则不堪设想。所以，对这些有毒、易燃的气体液体的存放就会有着更高的标准和要求，必须将其放在一个非常稳定、牢固、安全的容器中，这样既能够保证这些物质的存放安全，同时也能够方便存取。开孔补强设计是压力容器生产过程中非常重要的一个环节，在压力容器壁上进行开孔，一是为了后期安装接管方便，二是为了后期维护保养方便。但无论在任何地方进行开孔，都会对压力容器的整体结构强度造成负面影响，因为开孔设计会破坏压力容器本身的整体性，容易导致压力容器抗压性能变差。压力容器一般的存放环境都比较恶劣，通常都是高温、高压环境，开孔设计会导致压力容器各项性能指标降低，出现不同程度的损坏，影响压力容器的正常使用。这个环节现如今得到了人们较大的重视，通过对压力容器开孔补强进行合理科学的设计和应用，可以有效降低由于断层差异作用导致的压力容器性能下降。开孔补强设计做好了，压力容器承受压力的能力就会得到提高，用这些压力容器来存储有毒易燃的气体和液体也将会更加安全，既能为人类科技文明的进度贡献力量，也能够有效保障人民的生命财产安全。

1 开孔补强的含义

开孔补强一般作为压力容器设计的必要步骤，在压力容器上面开孔的主要目的是满足压力容器与其他容器相互连接的问题，而且对压力容器的维修养护也需要在压力容器上面开孔。在压力容器上开孔后，容器所承受的压力将会发生不小的变化，孔洞周围的压力变化最为明显，可能因为承受的压力过大出现破碎现象，就会导致其中存放的有毒易燃气体、液体发生严重泄露，威胁化学实验的安全。一般来说，化学领域的工作环境可能比较恶劣，如果开孔处没有进行补强，那么在这样有毒、有腐蚀性的恶劣环境将会对开孔处造成更加严重的腐蚀，而一旦开口处被腐蚀，那么整个压力容器的密闭性几乎将彻底丧失，将直接影响有毒易燃气体液体的压力容器存放安全性，会导致严重的化学实验泄漏事故。因此，开孔补强设计是压力容器设计十分重要的一个环节，将直接影响压力容器的稳定性和安全性。

在开孔补强技术的具体操作中，可以根据开孔补强的位置、数量以及其他的各种因素将补强类型分为整体补强和局部补强。

1.1 整体补强

整体补强通俗来讲是一种大面积的补强技术，一般采用整体补强是因为压力容器开孔较多，整体的强度不足，或者不方便运用局部补强的方式，需要对整个压力容器进行全面补强。整体补强的优势在于：一是操作简单，整体补强不需要考慮容器整体的区域强度会有所不同，只需要对整个容器进行全方位的补强就可以，省去了对压力容器各区域性质的分析步骤；二是补强位置全面，由于是对整个压力容器进行补强，所以不会存在补强后某一区域强度不足的情况，而且整体补强也能对强度足够的区域进行进一步的加固；三是能够提升开孔补强的工作效率，一旦出现压力容器开孔较多的现象，那么对局部进行补强将会相对麻烦而且工作效率低，针对多孔的压力容器，对压力容器进行整体补强能够有效提升开孔补强的工作效率。

1.2 局部补强

局部补强相对于整体补强技术来说，主要是运用更加有针对性的补强方法对压力容器上的开孔压力强度进行补充。局部补强的应用范围相对整体补强来说会更加广泛，一般来说，除非有特殊的情况，对压力容器的开孔补强都是利用局部补强技术进行的。局部补强技术的特点较为突出，局部补强技术可以有针对性地对压力容器某一处开孔进行补强，不需要像整体补强技术那样大面积地对压力容器进行补强操作，所以所需要的补强材料也能够更加节省，补强的零部件在经过焊接之后可以与压力容器作为一个整体结构承载压力，抗疲劳性能较好。

2 开孔补强设计在压力容器设计中的应用现状

压力容器开孔处的受力程度是开孔补强设计要考虑的极为重要的一个因素，受力一般分为峰值受力、弯曲受力以及局部薄膜受力三种形态，三种形态之间有着较为明显的差异，所以在开孔补强设计中要根据受力情况的不同选择合理的开孔补强设计方法。第一，如果是峰值受力的话，开孔补强主要需要考虑的是压力容器面对压力变大的抗疲劳度和对压力容器的破坏力。如果只考虑到压力增大会对压力容器造成不可逆的破坏但忽略了抗疲劳度的话，那么这个开孔补强设计就是失败的，而且实践表明这样的压力容器依旧会遭到严重的、不可逆的破坏，不能作为一个合格产品投放到化工领域用来储存有毒易燃的气体液体。第二，弯曲受力主要是用来提高压力容器的持续稳定性能，压力容器的稳定性好，有毒易燃气体液体的存放才会更加安全。如果不注意弯曲受力的话，压力容器的稳定性将会大大降低，即使能够存储有毒易燃的气体液体，也会由于稳定性不足导致泄漏现象的发生。第三，局部薄膜受力的开孔补强设计主要关注的重点是如何应对压力容器压力不稳定的现象，因此要确保开孔的地方的受力情况能够满足开孔补强设计的所有需要。压力容器的开孔补强设计要能够全面考虑到这三种不同的情况，要更多地结合好这三种不同的需求，有针对性地设计不同的压力补强的压力容器，使之能够适合不同环境不同情况，提高安全性能，保证存储的安全性。

3 开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析

3.1 通过连接厚壁进行补强

承压能力和壁厚之间的计算公式是：压力=（壁厚×2×抗拉强度）/（外径×系数），在压力容器开孔补强的各种手段中，对厚壁进行补强的做法比较普遍的一种，在开孔补强设计过程中，对厚壁进行连接时，一般要综合考虑厚壁连接的材质，而且要结合压力容器壁面的材质，考虑到压力容器的使用场所、环境如何以及开孔处的受力形式。一般开孔直径不小于150毫米，厚壁与压力容器开孔壁保持高度一致，如果补强的材质与开孔处的材质有出入的话，就会导致补强之后的稳定性极差，在外力作用下，这样的压力容器极其不稳定，容易发生危险，不仅导致压力容器无法正常使用，而且存储在内部的有毒易燃气体液体也会发生泄露，甚至发生化学反应，造成更大的危害。开孔补强设计对连接管的要求也非常高，首先就是要求连接管要有足够的强度，但是对于受力强度的把控又要十分精准，与跟压力容器的抗压能力保持高度一致。如果连接管的受力强度要高于或者低于压力容器的受力强度，就会严重影响压力容器的补强效果，也将会进一步影响整体的补强效果。开孔补强设计中的厚壁连接可以选择锻造件，锻造件的精细化程度相对于其他产品来说更高，能够有效避免加工出现误差导致的不精确而影响开孔补强的效果。但值得注意的是，选择锻造件并不能盲目，需要根据压力容器所面临的环境和所需要承受的压力大小来进行特殊锻造，保证锻造件是最符合要连接的压力容器使用环境的。

3.2 通过补强圈进行补强设计

补强圈主要应对的是局部薄膜受力问题，这样的设计能够进一步保证压力容器的安全性能，增强压力容器储存的能力。通过补强圈进行补强设计的要点如下。第一，考虑压力容器的旋转场所和存储物。如果压力容器要放在一个环境温度差别很大的地方，而且压力容器内要存放具有很强腐蚀性的物质的时候，则不建议使用补强圈的方式进行开孔补强，因为外部环境温差大，就需要压力容器具有很好的抗温度差异的性能，而且内部由于存储着具有强腐蚀性的物质，这也要求压力容器同时要具备很好的抗腐蚀性，而补强圈并不能够很好地做到这两点。如果压力容器开孔处的负荷不适合补强圈的话，就需要考虑利用其他的方式方法对压力容器进行开孔补强。第二，补强圈的设计制作过程要严格按照国家统一标准执行。值得注意的是，在补强圈设计和制作的时候要注意压力容器开孔处的壁厚，壁厚一般要小于1.50牛，抗拉强度要低于540兆帕，如果补强圈的厚度超过了压力容器的壁厚，那么就会导致在焊接时候难度突然增大，而且影响焊接的效果，严重的会导致在焊接过程中由于受热过度使锻造的补强圈发生形变甚至断裂，最终会导致因为补强圈的问题影响到压力容器的正常使用和存储。通过上述会发现补强圈对于压力容器的开孔补强有着重要的作用，所以设计人员必须要重视补强圈的设计问题，对补强圈的厚度、材质要进行严格的把关，确保补强圈设计以及制作没有任何瑕疵，保证与压力容器的契合度，保证压力容器能够正常使用。

3.3 通过整体锻造进行补强设计

整体锻造相比于其他开孔补强的方式优势就在于能够更加有效地提升抗压能力，减少压力容器的整体受力。使用整体锻造补强主要是因为压力容器存放的环境比较恶劣，比如极度寒冷或者极度高温，又或者是非常拥挤和不稳定，容易发生各类的碰撞等。压力容器对精度要求还非常高，例如要求压力容器所能承受的压力要精确到小数点后两位甚至更多，这样就需要整体锻造，整体锻造补强能够在满足这些需求的同时有效控制好成本。但是，由于需要对压力容器进行整体锻造，所以工艺水平要求较高。相对于其他几类补强方式来说，整体锻造是最难实现也最难大量采用的补强方式，但由于其精度高、补强效果明显，仍然会有部分需求采取整体锻造的方式对压力容器进行补强。整体锻造补强的限制条件为抗拉强度小于540兆帕，补强圈厚度要小于1.50牛，设计温度要低于350摄氏度。

4 结束语

总而言之，本文通过仔细研究，分析查找，走访论证，得出开孔补强设计主要通过厚壁管连接、补强圈及整体锻造三种方式，这三种方式各有不同的侧重，也同样各有优势，经过合理运用都能够很好地实现对压力容器的补强。压力容器是化工领域重要的存储设备，按照规定认真正确地使用将会给我们的化学领域试验和发展带来更大的便利，能够存储许多棘手的物质，又能保证这些物质的安全。但使用不当就会导致存储的有毒易燃气体、液体发生泄漏，危害人民生命安全，造成大量财产损失，影响化工领域的快速发展，影响到我国化工领域在国际上的地位。因此，设计人员要重视压力容器的安全性，充分认识开孔补强设计对于压力容器补强的重要性，持续关注着开孔补强在压力容器中的应用作用，通过不断论证，查阅资料，现场实地考察，提供一些更加有建设性的意见对策，让开孔设计在压力容器中的应用越来越广泛，让压力容器的安全性越来越高。

参考文献

［1］葛建社. 开孔补强设计在压力容器设计中的应用研究［J］. 中外企业家，2019（12）：141.

［2］易辙. 浅谈压力容器设计中开孔补强设计的应用［J］. 化工管理，2019（11）：197-198.

［3］谢宁. 压力容器设计中开孔补强设计的应用探析［J］. 化工管理，2018（16）：161.

［4］张连利. 开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析［J］. 化工设计通讯，2017，43（11）：158.

［5］李新. 开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析［J］. 石化技术，2017，24（5）：30，44.

［6］王洪革. 开孔补强设计在压力容器設计中的应用探析［J］. 内燃机与配件，2017（5）：118-119.