压力容器设计中的开孔补强设计分析范文

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摘要：在压力容器设计过程中，开孔补强设计在整个设计体系中占据着重要的位置，是设计中不可或缺的组成部分。我国已经在压力容器的设计方面颁布制定了一系列的规范以及设计标准，其中强调一定要在开孔补强方面加强优化设计，做到正确精准的计算以及局部应力分析。然而，在现实设计应用中，开孔补强设计仍有许多设计缺陷以及部分弱点，在安全水平、科学合理性以及经济成本方面急需进一步提高。本文主要分析了补强圈补强法、整体补强法以及分析法的特点及在压力容器设计中的应用，希望能够给压力容器设计者带来有价值的参考。

关键词：开孔补强设计；压力容器；设计；应用；探究

一、引言

通常，压力容器由于各种工艺和结构的要求，需要在容器上开孔，由于开孔去掉了部分承压金属，不但会削弱容器器壁的强度，而且还会因结构连续性受到破坏在开孔附近造成较高的局部应力集中。这个局部应力峰值很高，达到基本薄膜应力的3倍甚至更高。再加上开孔接管处有时还会受到各种外载荷（如管道载荷、温度载荷等）的影响，并且由于材质不用，制造上的一些缺陷、检验上的不便等因素的综合作用，很多失效就会在开孔边缘开始，主要表现为疲劳破坏和脆性裂纹，所以，必须进行必要的补强设计计算。在补强设计中应用的方法主要有：等面积补强法（包括补强圈补强法、整体补强法）和分析法。

二、容器开孔补强的受力特点及对开孔补强的要求

实际容器壳体开孔后，均需焊上接管或凸缘，而接管处的应力集中与壳体开光小圆孔时的应力集中不同。在操作压力下，相贯的壳体与开孔接管在连接处各自的薄膜位移不相等，但最终的位移结果又必须协调一致。因此，在连接点处将产生相互约束力和弯矩，故开孔接管处就不仅仅是孔边应力集中和薄膜应力，而且还有边缘应力和焊接应力。另外，压力容器的结构形状、承载状态和工作环境等，对接管处应力集中的影响均较开光孔复杂。所以壳体接管处的应力集中较光孔更为严重。但其衰减迅速，具有明显的局部性，不会使壳体引起任何显著变形，故可允许应力峰值超过材料的平均屈服应力。为了使孔边的应力峰值降低至允许值，一定要进行开孔补强设计。由于开孔处的边缘应力具有局部特性，所以，采取局部补强加固，效果就会比较明显，常用的是整锻件、厚壁管和使用补强圈等方法进行补强，GB150又增加了分析法。压力容器开孔补强需要考虑多方面的因素，如压力容器的操作工况、材料性能、进行开孔的具体位置以及开孔的数量等，然后根据具体需要，选择适当的补强方法和结构，实施局部补强或者整体补强。

三、不同补强设计在压力容器中的应用

（一）等面积补强法的概念及补强特点等

面积补强法，实际上补强的是壳体开孔丧失的薄膜应力抗拉强度断面积，为此，其补强只涉及静力强度问题，可采用补强圈补强和整体补强两种结构型式。GB150规定，该法适用于压力作用下壳体和平封头上的圆形、椭圆形或长圆形开孔。当在壳体上开椭圆形或长圆形孔时，孔的长径与短径之比应不大于2。原因为，容器开孔接管处的应力集中系数与开孔的形状、大小有关，开圆孔应力集中系数最小，椭圆孔较大，方孔更大。接管轴线与壳体法线不一致时，开孔将变为椭圆形而使应力集中系数增大。该法对开孔边缘的二次应力的安定性问题是通过限制开孔形状、长短径之比和开孔范围（开孔率）间接加以考虑的，使孔边的局部应力得到一定的控制；长期的使用经验证明该方法在允许使用范围内，开孔边缘的安定性能够得到保障。该法对开孔边缘的峰值应力问题未加考虑，为此不适用于疲劳容器的开孔补强。

1、补强圈补强设计在压力容器中的应用当选择使用补强圈（见下图1）的方式进行补强设计时，其操作过程中需要保证满足以下两个方面：第一，要确保补强圈的厚度达到设计规范要求，进行科学性优化厚度设计。通常来说，补强圈的厚度不应该过厚，应该控制在压力容器开孔位置厚度的1.5倍以下左右，在实际工程应用提取的相关实践报告数据中，经过分析研究，当补强圈的厚度大于压力容器开孔处厚度1.5倍左右时，厚度超出了规范要求，在进行补强圈焊接施工过程中，焊接角势一定会有所增大，进而导致应力上升处于不连续状态，极易造成受力不均衡带来安全隐患。而且，还要保证所采用的补强圈能够具有与设备本体材料一样的性能，具有良好的延伸性、韧性以及优良的可塑性，保证选择的补强圈材质在常温情况下，屈服强度控制在400MPa以下。第二，当压力容器处于以下几种环境状况时，不应该选择补强圈补强设计方法，比如温度处于大幅度变化中、所处环境极易发生腐蚀以及压力容器所处环境极易被氧化等等不利的环境下；当压力容器所承受荷载处于不断变化中，也不应该采用补强圈补强设计方法进行补强。究其原因，制作补强圈的金属材料大多设置在开孔应力最大的位置，该位置补强程度达到较高值，所以，补强圈补强主要使用拥有较低合金程度且强度比较高的钢质容器中。一旦压力容器对于补强质量要求极为严格，并且此种局部补强的方法不能从根本达到补强的需求标准，可以选择其他的补强方法，比如整体补强方法。

2、整体补强设计在压力容器设计中的应用整体补强是指采取增加壳体厚度，或用全焊透的结构型式将厚壁管或整体补强锻件与壳体相焊的补强型式。与补强圈等补强方式进行对比，整体补强法拥有其更独特的优势，主要从以下几方面体现：使用该方法，几乎不会产生新的应力集中点，能够保证容器外壳的应力水平降低到最低点，整体来看，能够发挥出最有效的补强作用。对于中、低压容器，由于补强的设计压力处于较低状态，质量要求和补强效果要求不高，从经济性方面考虑，可优先选择采用无缝钢管或板材卷制钢管（直径较大时）进行补强，厚度应该控制在标准范围内，相反，应该选择锻管进行补强。对于补强元件材料的选择，一定要保证材质强度等级与被开孔容器材质强度等级一致，有些人主观上认为在使用接管材料时，应该选择更高的强度等级，但是，大量的实验研究表明，这种主观的想法是错误的，高强度等级的材料并不能发挥正面的强化效果，甚至对容器整体强度产生负面影响，这将影响压力容器的结构稳定性以及降低可靠度，如果选择的接管材料强度较低时，根据补强面积需要，必须增厚接管壁，采取增厚措施才能达到良好的补强效果。在实际应用中，经过不断的实践研究表明，厚壁管在每个路径下承受的应力强度都比较大，为了科学有效解决此类问题，可以选择引入内伸管，内伸管的结构形式将有利于接管根部应力的减小，在有效补强范围内，内伸管与接头处的应力强度成正相关，内伸管长度变长，接头处的应力强度会变小。对于高温高压容器，应选用整体锻件补强，但此方法也有其苛刻之处，由于高压容器的接管与壳体的焊接结构宜采用对接方式，该方法对于客观条件的要求较补强圈补强设计方法更多，尤其对于接管与壳体的过渡，往往需要更严格的要求，接管与壳体必须保证平缓过渡，避免在过渡区域壳体的某一处产生过多的应力。从现实的使用实践来看，整体锻件补强能够达到优良的补强效果，但在实际施工操作方面却对过渡焊缝等各方面要求极为严格，在具体施工过程中，对于施工技术人员的整体技术素质要求也会很高，当某一项条件达不到规范要求，或者某一步施工操作不当，都会大大降低压力容器整体补强设计的效果。

（二）圆柱壳径向开孔补强设计的分析法

分析法的模型假定接管和壳体是连续的整体结构，因此在使用分析法时，应保证焊接接头的整体焊透性和质量。分析法的设计准则是基于塑性极限与安定分析得出的，通过保证一次加载时有足够的塑性承载能力和反复加载的安定要求来保证开孔安全。GB150分析法与等面积法一样，不能用于疲劳设计。GB150给出了两种计算途径，分别为等效应力校核和补强结构尺寸设计，等效应力校核直接算出开孔处等效薄膜应力强度和等效总应力强度，然后进行评定。如果有特殊要求的压力容器开孔补强，可以根据要求进行评定。补强结构尺寸设计是在遵从GB150.3的等效应力的设计准则基础上，给出最小设计结构尺寸。与等面积补强法相比，分析法具由以下特点：开孔的范围变大；基本准确的计算出接管与壳体连接部位的应力然后进行评定；相较于等面积法，开孔率较大、筒体补强系数越大时，所需补强面积大于等面积补强法，因此安全裕度更大。

四、结束语

开孔补强设计作为压力容器设计中的重要环节，其质量水平直接决定压力容器能否安全工作，以及满足服役寿命。为了能够减缓开孔对容器壁强度以及整体压力容器强度的不利影响，避免壳体与接管焊接处出现局部应力超限的现象，保证压力容器开孔后仍能够达到之前的使用功能以及强度要求，设计人员要全面了解掌握压力容器的材质以及开孔需要，再选择与之匹配的补强方法，还要掌握不同补强方法的优势特征以及每种方法能够应用的压力容器类型，只有在选取方法前做出全面的衡量与考察，才能选择出最优的补强设计方法，使得压力补强的设计功效达到最优，减少安全隐患，避免安全事故的发生，确保压力容器能够正常可靠使用。

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作者：张静 单位：兰州兰石重型装备股份有限公司