開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探析

劉亞明

（宜興市格蘭特干燥濃縮設(shè)備有限公司，江蘇 宜興 214200）

壓力容器的設(shè)計(jì)中，在壓力容器的容器壁上開孔對(duì)于壓力容器的設(shè)計(jì)制造過程是必不可少的。經(jīng)常開孔是為了在壓力容器上安裝接管作為壓力容器功能的需要，或在壓力容器的容器壁上開孔為了方便壓力容器的維修、維護(hù)，或是設(shè)備調(diào)試、安裝的需要。然而，在壓力容器的容器壁上開孔無疑會(huì)使壓力容器的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受到影響，降低了壓力容器承受壓力的能力，從而使壓力容器的局部應(yīng)力存在斷層差異。而對(duì)已需要在容器壁開孔或接管的部位，局部應(yīng)力差更高，對(duì)于壓力容器的承力強(qiáng)度造成了很大影響。此外，由于壓力容器長期在高溫高壓環(huán)境下工作，開孔和接管等的連接處在高溫高壓環(huán)境下的局部應(yīng)力不連續(xù)的影響被無限放大，同時(shí)由于制造材料上的缺陷等綜合因素的影響，壓力容器極易在開孔處發(fā)生失效甚至破損，嚴(yán)重影響了壓力容器的安全性能。因此按照國家壓力容器設(shè)計(jì)制造規(guī)范《壓力容器》（GB150-2011）中的規(guī)定，必須對(duì)壓力容器的開孔做補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。

一 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器中的應(yīng)用

局部補(bǔ)強(qiáng)是設(shè)計(jì)壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)的主要手段之一，其中采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)被壓力容器補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)廣泛利用。補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)的方法是通過在壓力容器的容器壁上焊接補(bǔ)強(qiáng)板，從而增加開孔處容器壁的金屬厚度，達(dá)到增加金屬開孔邊緣的強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)開孔補(bǔ)強(qiáng)目的。考慮到壓力容器加工制造過程中，從容器壁的外部焊接補(bǔ)強(qiáng)板比在容器內(nèi)部焊接補(bǔ)強(qiáng)板更具操作性，因此通常在壓力容器容器壁的外部焊接補(bǔ)強(qiáng)板，并且實(shí)驗(yàn)證明在容器壁的外部焊接補(bǔ)強(qiáng)板對(duì)于容器的抗疲勞強(qiáng)度效果的提升更具優(yōu)勢。

采用補(bǔ)強(qiáng)圈局部補(bǔ)強(qiáng)的方式進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：首先，對(duì)于開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的補(bǔ)強(qiáng)板的厚度設(shè)計(jì)必須有嚴(yán)格的選擇。通常情況下，補(bǔ)強(qiáng)板的厚度不應(yīng)當(dāng)超過容器開孔處名義厚度的1.5倍，實(shí)際操作中的經(jīng)驗(yàn)表明，如果補(bǔ)強(qiáng)板的厚度超過容器開孔處名義厚度的1.5倍，焊接時(shí)，由于厚度過大，焊接角必然增大，由此導(dǎo)致不連續(xù)應(yīng)力過大。同時(shí)補(bǔ)強(qiáng)板選用的鋼材必須有較好的塑性和延展性，選用的補(bǔ)強(qiáng)板的鋼材的屈服強(qiáng)度ReL在常溫狀態(tài)下一般應(yīng)不大于400兆帕。其次，對(duì)于以下情況不宜使用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)方式：對(duì)于腐蝕性較強(qiáng)和氧化性較強(qiáng)以及溫差變化較大的使用環(huán)境下的壓力容器不宜采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)方式；同時(shí)對(duì)于承受載荷變化較大也不宜采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)方式。由于用作補(bǔ)強(qiáng)的金屬都直接處在開孔峰值應(yīng)力區(qū)域，補(bǔ)強(qiáng)效果很好，故常使用于低合金高強(qiáng)度鋼容器的開孔補(bǔ)強(qiáng)。對(duì)于要求較高的容器或局部補(bǔ)強(qiáng)形式不適合的開孔補(bǔ)強(qiáng)，應(yīng)采用整體補(bǔ)強(qiáng)。

二 厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)也是壓力容器設(shè)計(jì)中開孔補(bǔ)強(qiáng)的主要方法之一。厚壁接管的材料選擇是補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的首要步驟，厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的材料應(yīng)當(dāng)根據(jù)殼體材料的特性和使用條件來選擇。通常情況下，厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中選擇的補(bǔ)強(qiáng)材料與壓力容器殼體材料應(yīng)當(dāng)相同或?qū)儆谕活悾员ＷC金屬特性和強(qiáng)度相同。GB 150.3-2011第6章開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)中規(guī)定，開孔所需的補(bǔ)強(qiáng)面積為

接管有效補(bǔ)強(qiáng)面積為

式(1)、(2)中fr為強(qiáng)度削弱系數(shù)，它等于設(shè)計(jì)溫度下接管材料與殼體材料許用應(yīng)力之比值，當(dāng)該比值大于1.0時(shí)，取其值為1.0。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)中的公式可見，在進(jìn)行厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，選擇強(qiáng)度等級(jí)高于母材殼體的接管材料對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)效果不僅沒有正面影響反而有負(fù)面影響，這是因?yàn)檫x擇強(qiáng)度較高的接管材料，對(duì)焊接效果會(huì)產(chǎn)生不利影響，從而影響了整體補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的性能。同時(shí)，選用強(qiáng)度等級(jí)比母材殼體低的接管材料，必須要增加一定的接管壁厚才能保證補(bǔ)強(qiáng)效果，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)減少接管流通面積，這樣對(duì)焊接效果也有一定的負(fù)面影響，因此也不利于整體補(bǔ)強(qiáng)效果的提升。而在厚壁補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中可采用無縫鋼管或鍛件加工制作，以減少加工誤差導(dǎo)致的負(fù)面影響，當(dāng)設(shè)計(jì)壓力不高，補(bǔ)強(qiáng)要求所需要的壁厚不大時(shí)采用無縫鋼管；而當(dāng)設(shè)計(jì)壓力要求較高，補(bǔ)強(qiáng)要求的壁厚較大時(shí)，則應(yīng)當(dāng)選用鍛件加工來滿足補(bǔ)強(qiáng)需求。

三 整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的基本要求是通過補(bǔ)強(qiáng)金屬加強(qiáng)殼體因開孔引起的強(qiáng)度削弱的效應(yīng)，同時(shí)通過補(bǔ)強(qiáng)不引起新的應(yīng)力集中。[1]同等條件下整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)使殼體應(yīng)力水平降低的程度最大，沒有產(chǎn)生新的應(yīng)力大點(diǎn)。因此相對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)和接管補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)而言，整體鍛件的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器的補(bǔ)強(qiáng)效果中是最好的。但整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)與殼體的過渡要求比補(bǔ)強(qiáng)圈要嚴(yán)格，必須保證殼體和整體鍛件平緩過渡，避免在過渡區(qū)殼體一側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力集中。在實(shí)際加工制造過程中，由于整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)方法對(duì)于過渡焊縫的要求過高，因此導(dǎo)致加工難度增大，加工成本過高。對(duì)于設(shè)計(jì)精度要求較高和使用環(huán)境惡劣的壓力容器補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)才采用整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)法。

四 結(jié)論

開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)作為壓力容器設(shè)計(jì)的重要組成之一，為避免開孔對(duì)容器壁強(qiáng)度的破壞和避免在殼體與連接處產(chǎn)生過高的局部應(yīng)力集中，應(yīng)當(dāng)重視開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用和研究，減少開孔對(duì)壓力容器帶來的安全隱患，提高壓力容器的可靠性和安全性。

[1]路智敏，趙利利.圓柱殼開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007；（04）.

[2]GB 150.3-2011,壓力容器[S].

[3]柏文廣，劉宜國.淺析壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法[J].化學(xué)工程與裝備，2009（11）.