开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析

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压力容器的设计中，在压力容器的容器壁上开孔对于压力容器的设计制造过程是必不可少的。经唱孑L是为了在压力容器上安装接管作为压力容器功能的需要，或在压力容器的容器壁上开孑L为了方便压力容器的维修、维护，或是设备调试、安装的需要。然而，在压力容器的容器壁上开孔无疑会使压力容器的整体结构强度受到影响，降低了压力容器承受压力的能力，从而使压力容器的局部应力存在断层差异。而对已需要在容器壁开孔或接管的部位，局部应力差更高，对于压力容器的承力强度造成了很大影响。此外，由于压力容器长期在高温高压环境下工作，开孔和接管等的连接处在高温高压环境下的局部应力不连续的影响被无限放大，同时由于制造材料上的缺陷等综合因素的影响，压力容器极易在开孔处发生失效甚至破损 ，严重影响了压力容器的安全性能。因此按照国家压力容器设计制造规范《压力容器(GBI50-2011)中的规定，必须对压力容器的开孔做补强设计。

- 补强圈补强设计在压力容器中的应用局部补强是设计压力容器开孑L补强的主要手段之-，其中采用补强圈补强设计被压力容器补强设计广泛利用。补强圈补强的方法是通过在压力容器的容器壁上焊接补强板，从而增加开孔处容器壁的金属厚度，达到增加金属开孔边缘的强度实现开孔补强目的〖虑到压力容器加工制造过程中，从容器壁的外部焊接补强板比在容器内部焊接补强板更具操作性，因此通常在压力容器容器壁的外部焊接补强板 ，并且实验证明在容器壁的外部焊接补强板对于容器的抗疲劳强度效果的提升更具优势。

采用补强圈局部补强的方式进行开孔补强设计时，应当注意以下几点 ：首先，对于开：fL：l-强设计的补强板的厚度设计必须有严格的选择。通常情况下，补强板的厚度不应当超过容器开孔处名义厚度的1.5倍，实际操作中的经验表明，如果补强板的厚度超过容器开孔处名义厚度的1.5倍，焊接时，由于厚度过大，焊接角必然增大 ，由此导致不连续应力过大。同时补强板选用的钢材必须有较好的塑性和延展性，选用的补强板的钢材的屈服强度ReL在常温状态下-般应不大于400兆帕。其次，对于以下情况不宜使用补强圈补强方式：对于腐蚀性较强和氧化性较强以及温差变化较大的使用环境下的压力容器不宦采用补强圈补强方式；同时对于承受载荷变化较大也不宜采用补强圈补强方式。由于用作补强的金属都直接处在开孔峰值应力区域，补强效果很好，故常使用于低合金高强度钢容器的开孔补强。对于要求较高的容器或局部补强形式不适合的开孔补强，应采用整体补强。

二 厚壁接管补强设计在压力容器设计中的应用厚壁接管补强也是压力容器设计中开孔补强的主要方法之-。厚壁接管的材料选择是补强设计的首要步骤，厚壁接管补42强设计的材料应当根据壳体材料的特性和使用条件来选择。通常情况下，厚壁接管补强设计中选择的补强材料与压力容器壳体材料应当相同或属于同-类，以保证金属特性和强度相同。

GB 150.3-2011第 6章开孔和开孔补强中规定 ，开孔所需的补强面积为：Ad 8288。 (1- (1)接管有效补强面积为：A 2h.(8 -8 )2h：(8。 -c ) (2)式(1)、(2)中fr为强度削弱系数，它等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比值，当该比值大于1.0时，取其值为1.0。

根据国家标准中的公式可见，在进行厚壁接管补强时，选择强度等级高于母材壳体的接管材料对于补强效果不仅没有正面影响反而有负面影响，这是因为选择强度较高的接管材料，对焊接效果会产生不利影响，从而影响了整体补强结构的性能。同时，选用强度等级比母材壳体低的接管材料，必须要增加-定的接管壁厚才能保证补强效果，同时还应当减少接管流通面积 ，这样对焊接效果也有-定的负面影响，因此也不利于整体补强效果的提升。而在厚壁补强设计中可采用无缝钢管或锻件加工制作，以减少加工误差导致的负面影响，当设计压力不高，补强要求所需要的壁厚不大时采用无缝钢管；而当设计压力要求较高，补强要求的壁厚较大时，则应当选用锻件加工来满足补强需求。

三 整体锻件补强设计在压力容器设计中的应用开孔补强设计的基本要求是通过补强金属加强壳体因开孔引起的强度削弱的效应，同时通过补强不引起新的应力集中。I]1同等条件下整体锻件补强结构使壳体应力水平降低的程度最大 ，没有产生新的应力大点。因此相对于补强圈补强和接管补强设计而言，整体锻件的补强设计在压力容器的补强效果中是最好的。但整体锻件补强与壳体的过渡要求比补强圈要严格，必须保证壳体和整体锻件平缓过渡，避免在过渡区壳体-侧产生应力集中。在实际加工制造过程中，由于整体锻件补强方法对于过渡焊缝的要求过高，因此导致加工难度增大，加工成本过高。对于设计精度要求较高和使用环境恶劣的压力容器补强设计才采用整体锻件补强法。

四 结论开孔补强设计作为压力容器设计的重要组成之-，为避免开孔对容器壁强度的破坏和避免在壳体与连接处产生过高的局部应力集中，应当重视开孔补强设计的应用和研究 ，减少开孑L对压力容器带来的安全隐患，提高压力容器的可靠性和安全性。