壓力容器設(shè)計(jì)中開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用初探

吳英海

摘 要：開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是壓力容器設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，具有良好的應(yīng)用價(jià)值，科學(xué)合理的開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)能夠保證壓力容器設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。本文簡要探討開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，僅供相關(guān)人員參考。

關(guān)鍵詞：壓力容器設(shè)計(jì)；開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)；應(yīng)用

現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)步，壓力容器以其自身運(yùn)輸簡單、儲量大等優(yōu)勢，在社會各領(lǐng)域內(nèi)均得到廣泛應(yīng)用。此種情況下，為保證壓力容器設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低安全隱患，應(yīng)當(dāng)充分做好開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)工作，保證壓力容器的安全性能，確保其在社會各領(lǐng)域內(nèi)得到安全使用。

1 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

1.1 開孔補(bǔ)強(qiáng)概述

壓力容器在開孔處理后，破壞容器原有的壓力平衡狀態(tài)，造成壓力的受力面積減小，開孔邊緣的應(yīng)力增大，導(dǎo)致強(qiáng)度在原有容器的基礎(chǔ)上大大削弱，因此，必要的開孔補(bǔ)強(qiáng)能保證容器整體的壓力處于技術(shù)要求范圍內(nèi)。GB150-2011中對于圓筒、凸形封頭和錐殼（或錐形封頭）等不同類型壓力容器的開孔直徑做出明確的規(guī)定，從根本上講，就是為了保證壓力容器開孔的補(bǔ)強(qiáng)效果能滿足容器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。因此，壓力容器開孔后的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是整個壓力容器設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1.2 整體補(bǔ)強(qiáng)和局部補(bǔ)強(qiáng)

在具體的實(shí)踐操作中，通過綜合考量開孔的數(shù)量、位置和壓力容器的一些其他要求，可使用不同的開孔補(bǔ)強(qiáng)方法，大體可以分為以下兩種：

第一，整體補(bǔ)強(qiáng)。這種補(bǔ)強(qiáng)方法操作較簡單，適用的補(bǔ)強(qiáng)位置廣泛。適用于面積較大的開孔，而且一般容器的整體強(qiáng)度較欠缺。在一些局部操作受限制的特殊容器中也可考慮采用整體補(bǔ)強(qiáng)的方法。采用整體補(bǔ)強(qiáng)，可以大大節(jié)約補(bǔ)強(qiáng)耗材，提高整個補(bǔ)強(qiáng)工作的效率，具有明顯的優(yōu)勢。

第二，局部補(bǔ)強(qiáng)。由于局部補(bǔ)強(qiáng)針對壓力容器的某個特定的開孔進(jìn)行，補(bǔ)強(qiáng)工作的操作面積小，這種補(bǔ)強(qiáng)方法具有較強(qiáng)的針對性。相較于整體補(bǔ)強(qiáng)，局部補(bǔ)強(qiáng)是通過有針對性補(bǔ)強(qiáng)操作補(bǔ)充壓力容器壁上的開孔強(qiáng)度，可節(jié)約工作成本，縮短工作時間。這種補(bǔ)強(qiáng)方法的應(yīng)用范圍比整體補(bǔ)強(qiáng)更大。

2 不同的開孔補(bǔ)強(qiáng)方法在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

所謂開孔補(bǔ)強(qiáng)，是指通過對開孔處強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)充來提高其強(qiáng)度等級，保證被開孔壓力容器的完整性和安全性。就當(dāng)前壓力容器設(shè)計(jì)的具體情況來看，開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下三個方面：

2.1 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

所謂補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，是指在壓力容器設(shè)計(jì)過程中，找準(zhǔn)容器開孔位置，與其周圍貼焊鋼板實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)，此時所貼焊鋼板即為補(bǔ)強(qiáng)圈。當(dāng)前科學(xué)技術(shù)條件下，壓力容器設(shè)計(jì)中補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的兩種模式如圖1所示。

在補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)合理選用標(biāo)準(zhǔn)化的補(bǔ)強(qiáng)圈，確保其與壓力容器壁的材料相同，結(jié)合壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，掌握好補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是的尺寸大小，若未明確具體補(bǔ)強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)尺寸，可以結(jié)合壓力容器設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，依照等面積補(bǔ)強(qiáng)的原則對補(bǔ)強(qiáng)圈設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，從而保證補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)工作的有序開展。壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用注意，若采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方式，一旦補(bǔ)強(qiáng)圈的實(shí)際厚度超出8mm，在進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)時應(yīng)當(dāng)確保全部焊透，保證補(bǔ)強(qiáng)圈與容器壁協(xié)調(diào)受力。與此同時，在應(yīng)用補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)時，應(yīng)當(dāng)將補(bǔ)償圈紫玉壓力容器的內(nèi)外表面適當(dāng)位置，確保所選位置便于焊接，從而保證補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)質(zhì)量。一般情況下應(yīng)用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法時，大多將補(bǔ)強(qiáng)圈置于容器壁外側(cè)，通過單面補(bǔ)強(qiáng)實(shí)現(xiàn)開孔補(bǔ)強(qiáng)，以確保開孔補(bǔ)強(qiáng)的價(jià)值得到最大程度的發(fā)揮，保證壓力容器設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。

補(bǔ)強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)簡單，制造難度較小且應(yīng)用廣泛，在壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中受到廣泛關(guān)注和高度重視，具有良好的應(yīng)用價(jià)值。但補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)后，補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體之間存在一層靜止氣隙，給壓力容器的整體傳熱效果造成嚴(yán)重影響，甚至?xí)谘a(bǔ)強(qiáng)圈與殼體之間形成溫差和熱膨脹差，最終導(dǎo)致溫差應(yīng)力出現(xiàn)而嚴(yán)重影響壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的實(shí)際效果，并且會對壓力容器的實(shí)際應(yīng)用埋下安全隱患。補(bǔ)強(qiáng)圈與壓力容器壁進(jìn)行焊接時，一旦結(jié)構(gòu)受力存在特殊性，不保證整體受力時，當(dāng)壓力容器局部壓力過大時極易出現(xiàn)壓力容器壁變形或破壞的情況，降低壓力容器的整體抗疲勞性能，導(dǎo)致壓力容器運(yùn)行的安全系數(shù)降低。

2.2 整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

通過對比分析可知，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)與補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)存在一定差異，補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)所實(shí)現(xiàn)的是特定部位補(bǔ)強(qiáng)，而整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)則是通過最大化降低容器殼體整體強(qiáng)度水平來減少集中應(yīng)力的發(fā)生幾率，因而整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的實(shí)際補(bǔ)強(qiáng)效果在一定程度上優(yōu)于補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)效果。相關(guān)實(shí)踐研究表明，在壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)過程中，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的要求較高，尤其是在整體鍛件與壓力容器壁之間的過渡性方面，一旦補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)不科學(xué)或不適宜，會嚴(yán)重影響開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)效果，甚至影響壓力容器的安全使用。因此在壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格規(guī)范生產(chǎn)擦做過程，規(guī)范過渡焊工藝條件，保證整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性，并合理控制生產(chǎn)加工成本，即便是在相對惡劣的條件下，也應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制壓力容器補(bǔ)強(qiáng)精度，保證壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的可靠性，確保整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值得到最大程度的發(fā)揮。

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

厚壁接管補(bǔ)償應(yīng)用中，正確選擇厚壁接管材料是關(guān)鍵，一般會遵循壓力容器的材料特征和使用條件進(jìn)行選擇，選擇的材料強(qiáng)度等級應(yīng)與母體基本一致，既不能過高也不能過低。因?yàn)閺?qiáng)度等級過高就會影響焊接的質(zhì)量，導(dǎo)致補(bǔ)強(qiáng)后的整體效果不佳。如果強(qiáng)度等級低于母體材料則有可能會對接管流通面積產(chǎn)生影響，間接的導(dǎo)致焊接效果不佳補(bǔ)強(qiáng)后的壓力水平降低。給加工誤差帶來的不利影響，可通過使用無縫鋼管或鍛件加工最大限度地減少。當(dāng)設(shè)計(jì)的容器壓力較高水平時，一般采用整體鍛件的加工方法，相反，設(shè)計(jì)容器的壓力水平較低時，可采用無縫接管補(bǔ)強(qiáng)方法。

結(jié)束語

總而言之，開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是壓力容器設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其設(shè)計(jì)效果直接關(guān)系著壓力容器的使用性能。因此在開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合壓力容器的具體情況，掌握正確的開孔補(bǔ)強(qiáng)方法并加以合理利用，避免應(yīng)力集中問題出現(xiàn)而影響容器壁狀態(tài)，通過對不同開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方法的合理應(yīng)用，保證壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性，促進(jìn)其使用性能的最大化發(fā)揮，為后期壓力容器設(shè)備檢修與維護(hù)也帶來極大便利，為生產(chǎn)活動的有序開展提供可靠的支持。

參考文獻(xiàn)

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