淺談開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉昌林

摘要：開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，是壓力容器設(shè)計(jì)中的主要環(huán)節(jié)，是決定容器設(shè)計(jì)質(zhì)量的主要指標(biāo)。本文對(duì)開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，強(qiáng)調(diào)了開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的重要性?；诖?，本文主要對(duì)開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用方法進(jìn)行了探討。以期能夠?yàn)槿萜髟O(shè)計(jì)領(lǐng)域的相關(guān)人員提供參考，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，僅供參考。

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

前言：

開孔有助于增強(qiáng)壓力容器的性能，但卻對(duì)容器本身的強(qiáng)度造成影響，致使容器的應(yīng)力分布情況發(fā)生改變。為確保開孔施工能夠有效進(jìn)行，降低開孔對(duì)容器應(yīng)力分布情況的影響是關(guān)鍵。開孔補(bǔ)強(qiáng)方案的實(shí)施，有助于達(dá)到該目的。根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)面積的不同，可將開孔補(bǔ)強(qiáng)分為整體補(bǔ)強(qiáng)與局部補(bǔ)強(qiáng)兩種。為提高壓力容器設(shè)計(jì)的科學(xué)性，對(duì)兩種補(bǔ)強(qiáng)方案進(jìn)行合理應(yīng)用較為重要。

1 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)概述

1.1 整體補(bǔ)強(qiáng)

作為開孔補(bǔ)強(qiáng)方式的一種，整體補(bǔ)強(qiáng)的補(bǔ)強(qiáng)面積較大，要求在考慮壓力容器整體強(qiáng)度參數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)容器進(jìn)行設(shè)計(jì)。整體補(bǔ)強(qiáng)適用于開孔數(shù)量較多的壓力容器的補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，具有操作簡(jiǎn)單、全面性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。將該方案應(yīng)用到壓力容器的設(shè)計(jì)過程中，能夠有效提高補(bǔ)強(qiáng)效率[1]。除此之外，該方案同樣具有材料利用率高的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)人員可視自身需求，考慮是否采用該方案補(bǔ)強(qiáng)。

1.2 局部補(bǔ)強(qiáng)

與整體補(bǔ)強(qiáng)相比，局部補(bǔ)強(qiáng)的面積較小，但針對(duì)性較強(qiáng)。該方案優(yōu)勢(shì)在于應(yīng)用范圍較廣，對(duì)壓力容器開孔數(shù)量的要求不高。當(dāng)某壓力容器設(shè)計(jì)完成后，設(shè)計(jì)人員可利用局部補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，單獨(dú)針對(duì)容器上的某一小孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，操作面積較小，抗疲勞效果較好，且基本不會(huì)對(duì)容器開孔的邊緣焊接情況造成影響，在壓力容器的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用價(jià)值同樣較高[2]。

2 開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)在壓力容器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法

以壓力容器的厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)為例，壓力容器設(shè)計(jì)過程中，可采用以下方法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)：

2.1 材料的選擇

壓力容器后壁接管設(shè)計(jì)過程中可選擇的材料類型較多，根據(jù)材料的不同，其強(qiáng)度等級(jí)以及補(bǔ)強(qiáng)面積同樣不同。

2.2 尺寸的確定

本部分從接管尺寸以及過渡段尺寸兩方面出發(fā)，對(duì)壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)過程中尺寸的選擇方式進(jìn)行了探討：

2.2.1 接管尺寸的確定

壓力容器接管內(nèi)徑的尺寸，應(yīng)與工藝管線的內(nèi)徑尺寸相同。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，壓力容器設(shè)計(jì)過程中，法蘭的內(nèi)徑，可根據(jù)設(shè)計(jì)需求而確定。設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可首先確定小管的內(nèi)徑，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算出小管的壁厚。

2.2.2 過渡段尺寸的確定

壓力容器的過渡段，主要處于接管的大端與小端之間。過渡段的長(zhǎng)度，是決定壓力容器整體強(qiáng)度的主要因素。為改善補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)將過渡段的尺寸，控制在接管大端與小端厚度差的1--3倍內(nèi)，提高長(zhǎng)度選擇的合理性。過渡段與接管的大端及小端的連接，應(yīng)保持圓滑，以免應(yīng)力過于集中，對(duì)壓力容器應(yīng)力分布的均勻性造成影響。過渡段圓角尺寸R，可按照法蘭頸部的圓角尺寸進(jìn)行選擇，提高選擇結(jié)果的合理性。

2.3 參數(shù)的控制

壓力容器設(shè)計(jì)過程中，補(bǔ)強(qiáng)面積、殼體厚度、外伸高度與焊接質(zhì)量參數(shù)的控制方法如下：

2.3.1 補(bǔ)強(qiáng)面積的控制

壓力容器開孔補(bǔ)強(qiáng)過程中，接管大端端部的圓角，是影響補(bǔ)強(qiáng)面積的主要指標(biāo)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，壓力容器補(bǔ)強(qiáng)過程中，如接管大端的厚度較大，且其圓角的尺寸同樣較大，而補(bǔ)強(qiáng)面積的富裕量較少時(shí)，應(yīng)考慮適當(dāng)減小該部分面積，以免對(duì)補(bǔ)強(qiáng)效果造成影響。除此之外，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)將壓力容器開孔的數(shù)量，應(yīng)用到補(bǔ)強(qiáng)面積計(jì)算過程中。根據(jù)開孔數(shù)量的大小，適當(dāng)增加或減少補(bǔ)強(qiáng)面積。

2.3.2 殼體厚度的控制

壓力容器殼體的厚度，同樣應(yīng)視接管大端的厚度而確定。實(shí)踐研究顯示，如大端的厚度超過殼體厚度的1.5倍，焊接冷裂縫的產(chǎn)生幾率將明顯提高，判斷導(dǎo)致該現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，與接管剛度的提高有關(guān)。隨著接管與殼體剛度差的增加，兩者之間連接部位的變形協(xié)調(diào)性，將明顯下降。此時(shí)，受外力作用影響，冷裂縫則較容易出現(xiàn)。為避免兩者之間剛度過大，可將內(nèi)插入式厚壁接管，應(yīng)用到容器設(shè)計(jì)過程中，以減小接管大端的厚度，改善補(bǔ)強(qiáng)效果。

2.3.3 外伸高度與焊接質(zhì)量的控制

壓力容器接管的實(shí)際外伸高度，應(yīng)按照接管的結(jié)構(gòu)而確定，且與接管的厚度有關(guān)。外伸高度應(yīng)保證大于有效高度，才可使壓力容器的強(qiáng)度得以增強(qiáng)。從焊接質(zhì)量的角度看，采用厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)的壓力容器，設(shè)計(jì)壓力均較高。目前，我國(guó)針對(duì)壓力容器厚壁接管設(shè)計(jì)壓力指標(biāo)，仍無明確的規(guī)定。但所有資料均顯示，該指標(biāo)必須>4.0MPa，方可達(dá)到補(bǔ)強(qiáng)的目的。焊接時(shí)，如采用較細(xì)的焊條打底，實(shí)現(xiàn)雙面焊，則必須進(jìn)入到殼體的內(nèi)部進(jìn)行清根。為提高設(shè)計(jì)效率，可將氬弧焊應(yīng)用到焊接打底過程中，提高焊接質(zhì)量。

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

壓力容器有多種開孔補(bǔ)強(qiáng)方式，通常分為兩類，一類是整體補(bǔ)強(qiáng)，另一類是局部補(bǔ)強(qiáng)。局部補(bǔ)強(qiáng)在壓力容器中的應(yīng)用頻率較高，補(bǔ)強(qiáng)操作一般會(huì)選擇應(yīng)用補(bǔ)強(qiáng)圈的方法，補(bǔ)強(qiáng)圈的補(bǔ)強(qiáng)方式是在將補(bǔ)強(qiáng)圈焊接在壓力容器上部，將存在孔洞的位置進(jìn)行加厚處理，使其具有更大的承受應(yīng)力的能力。只有開孔的位置合理，補(bǔ)強(qiáng)的厚度滿足要求，才能實(shí)現(xiàn)妥善的補(bǔ)強(qiáng)操作。要實(shí)現(xiàn)合理的補(bǔ)強(qiáng)，必須對(duì)壓力容器的制作過程以及工藝進(jìn)行分析和研究，查看焊接工作的質(zhì)量，來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)更加簡(jiǎn)單、方便，對(duì)操作有利，所以，在外部的焊接補(bǔ)強(qiáng)可以很好地提高壓力容器的強(qiáng)度和耐久性，實(shí)現(xiàn)開孔位置抗疲勞性能的顯著提高。

4整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

開孔補(bǔ)強(qiáng)的意義在于使容器開孔位置的強(qiáng)度得到補(bǔ)充和提高。使材料開孔位置的質(zhì)量和強(qiáng)度得到優(yōu)化，保證被開孔的壓力容器的質(zhì)量以及整體性能。整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)方法和其他的補(bǔ)強(qiáng)方法相比，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，比如：保證壓力容器處于較低的應(yīng)力狀態(tài)，保證不會(huì)出現(xiàn)新的應(yīng)力點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整體上極好的補(bǔ)強(qiáng)效果。但是，整體鍛件補(bǔ)強(qiáng)對(duì)客觀條件的要求也較高，相對(duì)苛刻，比如：必須保證殼體表面平滑過度，避免在容器過度位置出現(xiàn)較大的應(yīng)力，在實(shí)際的生產(chǎn)制造過程中，整體補(bǔ)強(qiáng)具有極好的補(bǔ)強(qiáng)效果，同時(shí)，對(duì)過渡焊縫等位置具有較高的要求，導(dǎo)致施工難度增加，工程的前期資金投入量增加，對(duì)設(shè)計(jì)人員和施工人員的專業(yè)水平提出了更高的要求，如果操作中的任何一個(gè)條件不能得到滿足，都會(huì)對(duì)壓力容器的補(bǔ)強(qiáng)效果產(chǎn)生影響。

5 結(jié)束語

綜上所述，將開孔補(bǔ)強(qiáng)應(yīng)用到壓力容器的設(shè)計(jì)過程中，能夠達(dá)到提高容器設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、增強(qiáng)容器強(qiáng)度、改善容器性能的目的。設(shè)計(jì)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到開孔補(bǔ)強(qiáng)的重要性。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理選擇補(bǔ)強(qiáng)材料，在此基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確計(jì)算出接管與過渡段的尺寸，并對(duì)補(bǔ)強(qiáng)面積、殼體厚度、外伸高度及焊接質(zhì)量等，進(jìn)行優(yōu)化控制，最終達(dá)到提高壓力容器設(shè)計(jì)水平的目的。

參考文獻(xiàn)

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