开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析

鲜磊 张依妮（中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦 124010）

开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析

鲜磊 张依妮（中油辽河工程有限公司，辽宁盘锦 124010）

压力容器是工业上常用于存放那些有毒有害、易燃易爆的工业高压气液体的容器。其表面和内部的压力分布，直接影响其使用中安全性、可靠性、稳定性。因此，研究其压力分布十分必要，压力容器的开孔处存在三种应力分布，具有更为特殊性，是压力容器压力分析的典型代表。

开孔补强；压力容器；应力；容器壁

随着社会的发展，工业流程进一步复杂化，那些有毒有害、易燃易爆的工业高压气液体越来越需要存放安全性，稳定性的保障。开孔作为一般压力容器的结构组成之一，尤为重要。压力容器需要在设计过程中注意的问题就是开孔补强的设计。

1 开孔补强的相关概念

一般情况下，压力容器都会有开孔工艺，开孔的目的主要是接管的安装需要，还有就是为了进一步有效检修的需要，平常维护的需要，开孔后，压力容器的周应力将发生变化，需要重新考虑应力分布情况，肯定直接影响压力容器的整体强度，为压力容器造成威胁，对其安全、稳定、可靠的保障造成直接影响，尤其是开孔的那部分区域存在着受力不均的问题，形成局部的高压力和另一部分低压力，使之差值逐渐拉大。另一方面，工业中的环境情况恶劣造成了压力容器长期暴露在风吹日晒中，开孔部分更是容易造成腐蚀的地方，其安全性造成威胁，同时开孔处也是连接处，密封的整实性也是值得考验的地方，容易造成破损，给压力容器带来更多的威胁因素。

在开孔补强的过程中，容器壁开孔区域处存在三种应力分布，部分薄膜、弯曲和峰值应力。［3］这三种应力是截然不同的三个类型的应力，很自然的，补偿压力的方式也是截然不同的，薄膜应力沿截面厚度均匀分布的应力成分，它等于沿所考虑截面厚度的应力平均值，由无力矩理论求解的壳体应力均为薄膜应力，且属一次薄膜应力，根据有力矩理论计算，不连续应力中也含有薄膜应力分量，但属二次应力，由于部分薄膜应力存在于壁厚的其中部分区域，一旦发生屈服就会出现局部壁厚的塑性变形，在压力容器中，其危害性大于同等数值的弯曲应力。［2］弯曲应力简单的说即弯曲产生的应力，弯曲应力分为正应力和切应力，峰值应力是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之上的应力增量，介质温度急剧变化在器壁或管壁中引起的热应力也归入峰值应力，应该从开孔对容器的破坏性和疲劳度方面进行考虑，弯曲应力则要提升容器的安定性。［2］

现在社会科技发展，针对这三种截然不同的应力有三种不同的设计方案和思路，确保压力容器的安全可靠，下面逐一介绍。

2 开孔补强的设计思路及具体方法

第一种方法及思路：补强圈板设计，满足弥补部分薄膜应力，也是开孔补强的主要方法，在这一领域经常使用。［3］该种方法就是将补强板焊在壁内，实质就是增加部分区域的壁厚，从而增强开孔区域的器壁强度，削弱了部分薄膜应力的分布。压力容器的生产中，将一块钢板焊在器壁外壁上比焊在内壁更加容易操作，一般生产过程中，我们还是将其焊在容器壁外。

在进行补强圈开孔补强的设计过程中，我们要关心几个方面：第一，补强板的尺寸性状设计尤为重要，按照国家技术标准要求，其厚度小于开孔处厚度的一倍半，试验证明，如果补强板的厚度超过开孔处的一倍半后，焊接难度增大，造成焊接热应力导致的补强板变形，还有导致断焊，不完全焊等问题；第二，长期存放腐蚀性介质的压力容器，外界环境温差大的情况，不能使用补强板补强，对于开孔处存在扭矩或负载的情况不适合使用补强板补强

第二种方法及思路：厚壁接管补强，此种方法也是开孔补强的重要手段。［3］此种方法的第一项工作就是管体材料的选取，选取依据就是要和器壁材料一致，至少是属于同一大类，这样的话，材料特性及强度大致一样，就算是发生了塑性变形，两部分之间的连接处不存在走形开裂等问题。材料特性及强度选取强于压力容器器壁的材料作为接管是错误的思路，这种影响是反面的，焊接时会发生塑性变形，由于接管与容器器壁材料的强度不一致，这种变形将造成焊接处开裂，甚至断裂情况的发生。［4］接管的管体应选择无缝钢管或是锻造材料制作，降低误差产生，导致焊接出问题。无缝钢管所承受压力较好，适合于补强要求较高的压力容器情况，锻件材料较无缝钢管承受压力较低，补强要求不高时可以使用。

第三种方法及思路：整体锻材补强设计，该种设计将压力容器的整体应力全面削弱，而且此种方法最大的优点就是没有新的应力产生。［5］相比以上两种方法思路，整体锻材补强效果是比较理想的，在加工焊接锻材与压力容器开孔处时，焊接的要求比较严格，这样的话经济效益下降，不利于节本增效。

3 结语

由于压力容器中存放的是高压气（液）体，如果保管不当，很容易造成人员伤亡和财产损失等，所以每一个国家指派专业人员定期开展检查其压力耐受情况等。开孔作为一般压力容器的结构组成之一，尤为重要。压力容器需要在设计过程中注意的问题就是开孔补强的设计。

［1］柏文广，刘宜国.浅析压力容器开孔补强设计方法［J］.化学工程与装备，2009（11）.

［2］国家安全监督管理局.《安全工程大辞典》［M］.北京：化学工业出版社，1995.

［3］刘文娟.开孔补强方法在压力容器设计中存在问题分析［J］.中国新技术新产品，2012，12.

［4］柏文广，刘宜国.浅析压力容器开孔补强设计方法［J］.化学工程与装备，2009（11）.

［5］付双武.在压力容器中的开孔补强结构设计［J］.科技与企业，2014（3）.