摘要：在對壓力容器進行設計時，開孔補強設計工作極為重要，這一環(huán)節(jié)的工作質(zhì)量將會對整個容器設計質(zhì)量產(chǎn)生直接性的影響。文章首先對開孔補強設計的重要性進行了闡述說明，之后著重對其在壓力容器設計中的應用及具體的設計方式進行了分析研究，以此幫助有效提升整個容器設計的質(zhì)量水準。

關鍵詞：開孔補強設計；補強圈補強設計；整體鍛件補強設計；厚壁接管補強設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：TQ050 文章編號：1009-2374（2015）09-0030-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0770

壓力容器在其設計中，為了將自身的使用功能進行最大化的發(fā)揮，需進行適當?shù)拈_孔處理。但是不可否認的是，開孔處理將會對容器造成一定的損傷，對其牢固度將會形成一定的不利影響，針對此類問題的出現(xiàn)，相應的補強設計便是對其所帶來的不利影響進行較為科學妥善的處理。

1 開孔補強設計的重要性

在進行壓力容器設計時，開孔處理操作極為常見。在通過狀況之下，開孔處理主要是為后期的接管安裝提供便利，對容器的功能性需求予以滿足。有時為了對整個壓力容器進行全面維修、養(yǎng)護、調(diào)試，也需進行開孔處理。而開孔處理會對整個容器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其使用性能產(chǎn)生一定的不利影響，通常會使得容器整體的抗壓性遭到削弱。此種情況出現(xiàn)的主要原因為：在開孔處理后，壓力容器內(nèi)部存在的應力出現(xiàn)了斷層差異。而在開孔處進行接管，也會使得容器內(nèi)部出現(xiàn)受力不均的狀況。另外大部分的壓力容器應用于一些溫度、壓力均高的環(huán)境之下，應力、受力不均問題更為突出，再加上受到一些容器材料等多種因素的影響，整個容器性能將會受到極大的損害。在容器的應用工作中，其工作質(zhì)量、效率也較差。所以，在對相關設計規(guī)范內(nèi)容充分理解、遵守的前提之下，對容器進行開孔補強設計極為重要。

2 開孔補強設計在壓力容器設計中的應用

2.1 補強圈補強設計的應用

在開孔補強處理中，局部補強方式應用較多，其中補強圈補強設計應用范圍較廣。補強圈補強主要是指在壓力容器壁上進行補強板的焊接處理，從而幫助進一步增強整個容器板的金屬厚度，促使其開孔邊緣強度得以增強，最終達到補強目的。

在補強圈補強方式應用中，有兩點問題需著重關注：第一，補強板的設計厚度需嚴格要求。一般情況下，補強板的厚度值與整個容器的開孔名義厚度值相比，應不超過其1.5倍。大量的實踐結(jié)果表明，如果補強板的厚度值大于開孔名義厚度的1.5倍，那么在進行焊接處理時，極易因為厚度過大而增大器焊接角，最終導致出現(xiàn)不連續(xù)應力過大的問題。另外，在進行補強圈補強設計時，補強板材料需具有極強的塑性、延伸性，且其鋼材的屈服強度在常溫環(huán)境下應保持在400MPa范圍內(nèi)。第二，在一些情況下不宜運用此種補強方式。相關容器的使用環(huán)境為腐蝕性、氧化性較強及溫差較大的狀態(tài)下。另外，在載荷變化量較大的情況之下補強圈方式也不應進行應用。對于一些使用標準較高、局部補強不宜運用的補強處理，應對其采取整體補強方式。

2.2 整體鍛件補強設計的應用

整體鍛件補強設計的應用優(yōu)點主要為：能夠使得整個壓力容器的外殼應力值減到最小，幾乎可以說是不會出現(xiàn)新應力點，從而獲取到最大化的補強效果。但是，此種補強方式在其應用中，其客觀因素限制較多。其中較為突出的一點便是，對于殼體的過渡需確保其平緩度。對于過渡中存在著的某一點過多應力需嚴格預防控制。大量的實踐結(jié)果表明，整體補強方式的整體效果較好，但是由于其對客觀因素存在諸多要求，因此想要的施工操作難度較大，投入成本較高，相應的施工技術(shù)要求標準也大幅度提升。如果存在任何一項客觀條件未達到相應標準的情況，則會對整個補強設計效果產(chǎn)生極為不利的影響。

2.3 厚壁接管補強設計的應用

厚壁接管補強技術(shù)也是極為常見的一種補強技術(shù)。在此種補強技術(shù)的設計中，需著重關注的一點便是對其材料的科學選取。通常狀況之下，厚壁接管補強材料需與容器的殼體材料較為一致或是相似度較高。如此一來，才能夠確保整個金屬性能具有極佳的協(xié)調(diào)性。如果在設計中存在著殼體材料與補強材料不相同的情況，應分類型對其進行妥善處理。如果補強材料的應力較小，那么可將補強面積進行科學合理的增大調(diào)整處理，從而有效解決其應力不足的問題。而如果是補強材料的應力較大，則應將補強面積進行減小化處理，從而確保其應力值較為平衡。在將容器進行開孔處理后，其邊緣處的局部應力將會增大，依照其分布規(guī)律，在距開孔邊緣較遠處進行補強處理，則能夠使得整個容器應力恢復至正常范圍內(nèi)。為了最大化將補強材料性能進行發(fā)揮，其焊接位置應選取一些高應力處，也就是指有效補強區(qū)域。

在對厚度接管進行補強處理時，如果其相關材料強度值高于殼體的接管材料，對于整個容器的性能將會帶來極為不利的直接性影響。此種情況出現(xiàn)的主要原因可能為：接管的強度值越高，其焊接操作要求就越為嚴格，一旦在焊接中出現(xiàn)任何問題，則極易使得工作效率及質(zhì)量遭受較大的不利影響，整個補強結(jié)構(gòu)受到破壞。另外，在接管材料的強度值要小于殼體材料時，為了將其補強效果進行提升，需對接管壁厚進行加大處理，對整個接管的流通面積進行科學合理的控制，將焊接操作的難度值盡可能地降到最低，進一步加強補強成效。在厚壁補強設計中，可運用無縫鋼管、鍛件加工的方式將加工處理誤差值減到最小。無縫鋼管及鍛件加工的各自應用狀況分別為：設計壓力低，補強壁厚小及設計壓力高，補強壁厚大。

3 開孔補強具體設計

3.1 等面積補強設計法

在對壓力容器進行對齊補強處理時，通常會采用此種補強設計方式，其應用的基本原理為：在一個有效補強區(qū)域中補強材料的橫截面積需不小于開孔損失面積。如此一來，便能夠使得容器殼體結(jié)構(gòu)的屈服強度得以維持平衡。相關理論模型其實可以被看作是一個面積不受限制的平板開孔，且不會出現(xiàn)因過多彎曲而造成的大偏差問題。小直徑的開孔其安全性較強。關于文中所提到的有效補強區(qū)域，拿圖1作為例子便是指由WXYZ四點構(gòu)成的矩形。

圖1 等面積補強設計法示意圖

3.2 分析設計法

分析設計法主要是指GB150.3-2011中提到的一種新型補強設計方式，其計算方式主要分為兩種。第一種，對等效應力進行校對核算處理，之后計算出開孔處的等效薄膜應力強度S1及總應力S2，對其進行科學評定處理。第二種，補強結(jié)構(gòu)尺寸設計，此種設計方式主要是指對GB150.3-2011中的設計規(guī)范原則嚴格遵循分析的基礎上，提出一個最小的設計尺寸。

分析設計法的模型是將接管與殼體假定為一個整體性的結(jié)構(gòu)，所以在其應用中，需對焊接頭的焊透性及其質(zhì)量進行全面確保。此種方式的設計準則的提出確定主要是將塑性極限、安定分析作為基礎，全面確保在一次加載時能夠具備充分的塑性承載及反復加載力，以此為開孔操作的安全性提供保障。在分析設計法的應用中，疲勞及外壓設計不宜應用，主要的應用范圍為圓柱殼的徑向開孔補強，而且對于接管與殼體的厚壁比值有一定的要求，確保其始終保持在0.5～2.0范圍內(nèi)。

3.3 不另行補強

在不另行補強應用中，需滿足以下六個要求：第一，整個設計壓力不大于2.5MPa。第二，兩個彼此相鄰的開孔器中心間距至少應等于兩個開孔的直徑相加值。而對于一些3個及更多個相鄰開孔，其兩孔中心間隙值至少應等于兩孔直徑和的2.5倍。第三，接管外徑值應不大于89mm。第四，接管壁厚的腐蝕裕量值應為1mm，如果需對此值進行加大處理，相應的需將壁厚值進行增加處理。第五，開孔位置不應處于A、B兩類焊接接頭之上。第六，開孔處理中應用到的鋼材材料其抗拉度不小于540MPa時，接管、殼體之間的連接應運用全焊透的結(jié)構(gòu)。除去以上所述的不另行補強狀況，還有一種情況下，也實行不另行補強。當整個壓力容器的有效殼體厚度不小于其計算厚度值的2倍，殼體的開孔補強也可不必進行計算。此結(jié)論的提出主要是通過運用等面積補強法進行推理導出的，其應用范圍為一些要求標準較低的換熱器設計中。在此種情況下，為了對整個設備的剛性進行確保，對于其殼體最低厚度值提出了一定的要求，有時厚度值將會比相應的計算值大出一倍多。

4 結(jié)語

在壓力容器設計中，開孔補強在其中占據(jù)著極為重要且關鍵性的作用，為了盡可能地避免因開孔處理帶給整個容器壁強度的損害及過大的局部應力集中問題，需對補強設計問題著重關注，將壓力容器應用中的安全隱患徹底消除，進一步增強整個容器的應用安全性。通過對各種開孔補強設計應用及具體的補強設計方法進行分析研究，能夠有效避免容器遭受過大的不必要損害，為其應用質(zhì)量及性能提供極為全面的保障。

參考文獻

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作者簡介：劉英（1976-），女，福建松溪人，江蘇中能硅業(yè)科技發(fā)展有限公司工程師，研究方向：壓力容器設計。

（責任編輯：周 瓊）