鐘敏

（鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司，浙江　寧波 315042）

壓力容器開孔補強設(shè)計的應(yīng)用探討

鐘敏

（鎮(zhèn)海石化工程股份有限公司，浙江寧波 315042）

如何提升壓力容器的性能，實現(xiàn)壓力容器的科學(xué)設(shè)計，就成為現(xiàn)階段石油化工行業(yè)必須要考慮的現(xiàn)實問題。本文旨在從開孔補強角度出發(fā)，在相關(guān)科學(xué)理論的之下，探究壓力容器開孔補強設(shè)計的應(yīng)用，以期在提高壓力容器抗壓性能的同時，促進(jìn)石油化工行業(yè)的健康快速發(fā)展。

壓力容器 ； 開孔補強 ； 設(shè)計理論 ；應(yīng)用策略

出于壓力容器的使用需求，在壓力容器設(shè)計的過程中，往往會在不同的位置進(jìn)行開孔。開孔不僅可以實現(xiàn)壓力容器的各種功能，便于功能調(diào)試與操作，還為容器自身的維護(hù)與保養(yǎng)提供了便捷條件。但是這些開孔會改變?nèi)萜髡w結(jié)構(gòu)并且因為開孔接管處幾何不連續(xù)，容器強度受到削弱，接管與主殼相貫處應(yīng)力集中，內(nèi)壓下產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，再加上接管上會有各種附加載荷產(chǎn)生的應(yīng)力、溫差應(yīng)力及容器材質(zhì)和制造缺陷等因素的綜合作用，往往成為容器破壞的原發(fā)部位。這就不可避免的導(dǎo)致了壓力容器整體抗壓能力的降低，不僅影響自身的實際使用效果，還大大增加了維護(hù)與保養(yǎng)成本。為了提升壓力容器的整體性，就需要我們對開孔接管處進(jìn)行開孔補強，因此開孔補強對壓力容器設(shè)計來說就有著十分重大的現(xiàn)實意義。

1 壓力容器開孔補強優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用應(yīng)遵循的原則

（1）壓力容器開孔補強優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用必須要遵循科學(xué)性的原則。壓力容器開孔補強優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用在石油化工生產(chǎn)實踐中的實現(xiàn)，要充分體現(xiàn)科學(xué)性的原則，只有從科學(xué)的角度進(jìn)行石油化工生產(chǎn)的目標(biāo)，反應(yīng)的原理、反應(yīng)流程的制定以及生產(chǎn)硬件與軟件構(gòu)成式等多個方面進(jìn)行細(xì)致而全面的考量［3］。只有這樣才能夠最大限度的保證壓力容器開孔補強優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用能夠滿足石油化工生產(chǎn)實踐的要求，只有在科學(xué)精神、科學(xué)手段、科學(xué)理念的指導(dǎo)下，我們才能夠以現(xiàn)有的技術(shù)條件為基礎(chǔ)，進(jìn)行壓力容器開孔補強優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用的科學(xué)探索與研究。

（2）壓力容器開孔補強優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用必須要

遵循實用性的原則。石油化工生產(chǎn)項目作為人類改造自然環(huán)境的重要社會行為，對自然環(huán)境做出了巨大的改變，經(jīng)歷從無到有，從小到大的過程。而這一過程的實現(xiàn)就需要雄厚資金的支持，從實際來看，資金的穩(wěn)定供應(yīng)與否能夠直接影響到壓力容器開孔補強優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用的質(zhì)量與水平，因而壓力容器開孔補強優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用必須要遵循實用性的原則，最大限度降低石油化工生產(chǎn)的成本投入，降低壓力容器開孔補強優(yōu)化設(shè)計的應(yīng)用方面的資金投入，從而能夠?qū)⒏嗟馁Y金利用與其他方面，保證我國石油化工產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與升級的順利進(jìn)行。

2 壓力容器開孔補強準(zhǔn)則及設(shè)計方法

壓力容器開孔邊緣存在三種應(yīng)力，因性質(zhì)不同，補強準(zhǔn)則也不同。①開孔邊緣局部薄膜應(yīng)力補強準(zhǔn)則是保障開孔局部截面的靜力強度或防止失穩(wěn)。②孔邊因變形協(xié)調(diào)產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，由于屬于二次應(yīng)力，對種應(yīng)力的控制和補強準(zhǔn)則應(yīng)從安定性加以考慮。③孔邊的峰值應(yīng)力，器破壞與疲勞相關(guān)聯(lián)，對于這種應(yīng)力的控制也即補強應(yīng)從疲勞強度進(jìn)行考慮。

壓力容器開孔補強從設(shè)計方法區(qū)分大致以下幾種：①等面積法；②圓筒徑向開孔補強分析法（以下簡稱“分析法”）；③壓力面積法；④其他方法，如試驗應(yīng)力分析法等。

在壓力容器常規(guī)設(shè)計中，上述的等面積法和分析法是經(jīng)過我國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會認(rèn)可的設(shè)計方法。壓力面積法是原西德AD規(guī)范中的開孔補強方法，在我國尚不能作為合法的設(shè)計依據(jù)，當(dāng)殼體開孔超出GB150—2011規(guī)定時，該法只能參考使用。應(yīng)力分析法則常用于壓力容器分析設(shè)計中。

等面積法適用于壓力作用下的殼體和平封頭上的圓形、橢圓形或長圓形開孔。具體的適用范圍詳見GB150.3—2011中6.1.2條。

分析法是清華大學(xué)薛明德教授歷時20多年的研究而提出的薄殼理論解，用于內(nèi)壓作用下具有徑向接管圓筒的開孔補強設(shè)計，其使用范圍如下：

d≤0.9D且最大［0.5，d/D］ ≤δet/δe≤2

其中：

d——接管中面直徑；

D——圓筒中面直徑；

δet——接管有效厚度；

δe——殼體開孔處的有效厚度。

壓力面積法使用范圍較等面積法大，其開孔直徑與殼體外徑之比≤0.8。

等面積法是基于靜力平衡，即以開孔有效補強范圍內(nèi)的金屬面積（包括殼體、接管、補強材料等）的承載能力與內(nèi)壓力載荷相平衡為準(zhǔn)則的計算方法。它有一定的局限性，等面積法粗略地認(rèn)為在補強范圍內(nèi)補強金屬的均勻分布降低了孔邊緣的應(yīng)力集中作用；忽略了開孔處應(yīng)力集中于開孔系數(shù)的影響，例如相同大小的圓孔，當(dāng)殼體直徑很大時造成的強度削弱就小，反之殼體直徑很小時，開孔率很大，削弱也大，因此等面積法有時富裕，有時顯的不足。所以等面積法限定了較小的開孔率等特定條件。等面積法不適用與疲勞強度要求的開孔補強計算。

分析法的模型假定接管和殼體是連續(xù)的整體結(jié)構(gòu)，因此在使用分析法時，應(yīng)保證焊接接頭的整體焊透性和質(zhì)量。分析法的設(shè)計準(zhǔn)則是基于塑性極限與安定分析得出的，通過保證一次加載時有足夠的塑性承載能力和反復(fù)加載的安定要去來保證開孔安全。使用分析法時，須保證不超過GB150—2011中規(guī)定的范圍，且不得查過曲線查詢范圍。分析法也不適用與疲勞強度要求的開孔補強計算。

壓力面積法也是基于靜力平衡為準(zhǔn)則的計算方法。它對于具有大開孔的薄壁殼體只能滿足靜載荷設(shè)計要求，不能滿足安定性要求。所以按AD規(guī)范B篇設(shè)計的容器應(yīng)當(dāng)滿足安定性要求：即在設(shè)計壽命內(nèi)，允許安全幅度的壓力循環(huán)不超過1 000次。

在不滿足安定性要求的容器下，壓力面積法無法給出開孔率與壁厚的比值定量數(shù)值，這是因為壓力面積法無法給出開孔邊緣的局部應(yīng)力。當(dāng)開孔率較小時，其設(shè)計偏保守。

3 壓力容器開孔補強的結(jié)構(gòu)型式

殼體的開孔補強可采用補強圈補強和整體補強兩種結(jié)構(gòu)型式。

在進(jìn)行開孔補強優(yōu)化設(shè)計的過程中，局部強化是一種較為常見的開孔補強方式，在大多數(shù)情況下回采用補強圈補強的方式來進(jìn)行操作。補強圈補強是利用焊接技術(shù)，在壓力容器的壁上焊接補強板材，借助于補強板材來有效提升開孔周圍的抗壓能力，作為一種直接有效地開孔補強方式，補強圈補強能夠有效地節(jié)約人力與物力投入。我們在進(jìn)行操作的過程中必須注意以下幾點。

（1）對于補強板材的厚度要進(jìn)行考量。在進(jìn)行開孔補強設(shè)計的過程中，要從容器自身的特性出發(fā)，將容器的體系大小、開孔的數(shù)量以及補強的實際要求進(jìn)行綜合判斷與分析，在此基礎(chǔ)上科學(xué)合理的選擇補強板材的厚度。一般來說補強板材的厚度應(yīng)該小于等于是殼體厚度的1.5倍左右。這有這樣的板材厚度才能夠保證補強效果，提升壓力容器的整體抗壓性能。

（2）提升補強圈的環(huán)境適應(yīng)能力與性能的穩(wěn)定性。由于壓力容器特殊的工作環(huán)境，使得補強圈的適用范圍較小，一般來說當(dāng)壓力容器處于極強腐蝕性以及氧化環(huán)境下時，就不能采用補強圈進(jìn)行開孔補強設(shè)計。近些年來由于補強板材材質(zhì)上的不斷優(yōu)化，使得補強圈的環(huán)境適應(yīng)性有所提升，但是這種提升并不是無極限，我們?nèi)匀灰鶕?jù)壓力容器的實際工作環(huán)境，對補強圈進(jìn)行取舍，以保證壓力容器正常工作。保證工業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

整體補強是指采取增加殼體厚度，或用全焊透的結(jié)構(gòu)型式將厚壁管或整體補強鍛件與殼體相焊的補強型式。

［1］ 付雙武.在壓力容器中的開孔補強結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.科技與企業(yè)，2014（3）.

［2］ 李世玉.壓力容器設(shè)計工程師培訓(xùn)教程 . 新華出版社.

［3］黃燕麗. 大開孔結(jié)構(gòu)壓力容器有限元分析及強度設(shè)計［D］. 沈陽工業(yè)大學(xué)， 2014（13）.

［4］ GB150—2011.壓力容器.

［5］ 壽比南等. GB150—2011壓力容器標(biāo)準(zhǔn)釋義.

（P-01）

Application ofpressure vessel opening reinforcement design

TH49

1009-797X（2016）10-0018-02

A

10.13520/j.cnki.rpte.2016.10.005

鐘敏（1980-），男，江西宜春，工程師，本科，從事工作為壓力容器及加熱爐設(shè)計。