开孔补强方式的对比及设计中的问题

夏宜岑（沈阳派司钛设备有限公司，辽宁 沈阳 110168）

开孔补强方式的对比及设计中的问题

夏宜岑（沈阳派司钛设备有限公司，辽宁 沈阳 110168）

由于工艺和结构的要求，让设备可以正常的使用、测试和检修，石油化工行业中，在设备或压力容器上开孔并安装接管是避免不了的，例如：人手孔，进出料空，液位计口，测温孔等。但开孔后，开孔处给容器带来的安全隐患也是不可忽视的。开孔处成为设备主要破环源。主要影响有以下几点：

（1）开孔破环了原有的应力分布并引起应力集中

（2）承载截面缩小，从而削弱容器壁的强度

（3）形成容器结构的不连续性，产生很高的局部应力

因此，采取适当的补强方式，并充分考虑开孔补强问题是必须的也是必要的。这是保证压力容器安全的重要因素。

开孔补强分为局部补强结构和整体补强两大类。但由于开孔应力集中的明显局部性，在不大的范围外就可以回复到正常的应力值，故除了制造或结构的需要外，一般我们不采取提高整个容器壁的厚度来进行开孔补强。由于考虑到制造经济性及安全性，在压力容器设计中通常采用局部补强方式，大体分为补强圈补强、厚壁管补强和整体锻件补强三种方式。下面我们就这三种方式使用工况及使用时存在的问题进行讨论。

1 补强圈

补强圈的作用弥补开孔对设备壳体性能的削弱。补强圈补强，由于制造便捷，结构简单，广泛使用在中低压容器中。在制造厂中也是最愿意选取的一种方式，因此使用经验也是最为丰富的。但使用补强圈的限制条件较多，工况较复杂的情况不适用，根据HG/T20583的规定，以下情况均不推荐采用补强圈的形式进行开孔补强：①高强度钢和铬钼钢制造的容器。②设计压力大于或等于4Mpa的第三类容器。③容器壳体壁厚大于或等于38mm。④容器内介质毒性为极度、高度危害的介质。⑤疲劳压力容器。⑥工作温度为高温（＞350℃）和低温（≤-20℃）的压力容器。⑦补强圈的厚度大于1.5倍的容器壁名义厚度。第7点尤为值得注意，在GB150和HG/T20583中只要求补强圈厚度小于等于1.5倍容器壁名义厚度。但忽略了JB/T4736《补强圈》中给出的补强圈尺寸系列中给出补强圈厚度最大为30mm，反推，如果补强圈厚度最大为30mm，壳体最大厚度为20mm，显然JB/T4736中要求高于GB150及HG/T20583。这一点部分设计者对标准掌握不全面，将补强圈厚度定在30mm以上，或在材料代用时以厚代薄是不符合要求的。

补强圈成形应尽可能与容器的外形紧密贴合。尽管正常情况下设置在容器的外面，但不影响容器的运行，补强圈也可放在容器里面。使用补强圈时，按要求设置一个M10螺孔。M10螺孔作用有三，分别为检测中的试压、焊接时的排气、使用时的检漏。该螺孔在非标补强圈中经常容易被忽视。在实际制造过程中，就曾发生未设置信号孔，热处理后发现壳体与补强圈的连续焊缝被撕裂。

2 厚壁管补强

厚壁管补强即在开孔位置焊上厚壁接管取代普通接管。与补强圈补强相比，厚壁管补强能更有效的补强，因为厚壁管加厚部分处于最大应力区域呢，厚壁管可以很好地降低应力集中系数。厚壁管补强的补强形式结构简单，焊接量小，也是制造厂比较常用的一种补强方式。值得注意的是采用该种补强形式，一定要保证焊缝全熔透。另在使用计算软件（SW6-2011）计算时，“接管实际外伸长度”一值该如何填写值得讨论。我们在计算软件中输入“接管实际外伸长度”值是为了确定“接管外侧有效补强高度”，因此厚壁管的削边和筒体占的长度不应计入“接管外侧有效补强高度”。故我们在输入“接管实际外伸长度”一值时，应输入图1中的H值。

图1

3 整体锻件补强

整锻件补强，该补强结构是将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接。优点：采用对焊焊接形式，容易探伤，抗疲劳性能好。但锻件制造成本较高，在普通压力容器中使用较少。大多使用在高压设备及重要设备上。

4 结语

综上可知，这三种补强方式都有各自的优缺点。在压力容器设计中，根据压力容器具体运行工况，和容器开孔的大小及位置，选取比较合理和经济，制造便捷的补强方式。

[1]GB/T150.1～150.4-2011.压力容器[S].

[2]HG/T20583-2011.钢制化工容器结构设计规定[S].

[3]B/T4736-2002.补强圈[S].

Opening Reinforcement Methods—comparison and problems in design

Xia Yicen(Pass Titanium Equipment Co．Ltd，Liaoning Shenyang 110168，China)

结合生产实际，对不同开孔补强方式进行对比，以及设计中开孔补强容易忽视的问题。

开孔补强；补强圈；厚壁管补强；整体锻件补强

Combining with the production practice,contrast the different opening reinforcement methods,and the problems that are easily overlooked in the design.

Opening reinforcement;Reinforcing circle;Thick wall pipe reinforcement;Integer-reinforced structure

夏宜岑（1991-），女，助理工程师，辽宁沈阳人，2013年毕业于辽宁石油化工大学过程装备与控制工程，现就职于沈阳派司钛设备有限公司，研究方向，从事压力容器设计。