1、浅谈压力容器中的开孔补强结构设计摘 要开孔补强技术的设计在压力容器的设计及制造过程中所起到的作用是不言而喻的，它既能够为压力容器的安全使用提供保障，又能够节省压力容器使用过程中的维修费用。开孔补强机构的设计并不是单一的，它的多种方式都能够为压力容器提供保障。但也正因为如此，在为压力容器进行开孔补强设计时应针对其自身特点及使用方向而做出科学合理而又经济实惠的设计方案，在保证压力容器质量以及使用寿命的基础上，尽量减少成本投入材料浪费，追求高性价比。这才是开孔补强技术在压力容器中的应用的发展方向，为压力容器使用单位创造出安全使用的平稳发展道路。 关键词压力容器；补强；开孔补强 中图分类号：TH49
2、文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）42-0167-01 一、开孔补强结构的含义 所谓开孔补强结构，是指在压力容器上开孔之后，为了提高开孔周围材质抗压强度的降低而进行补救的方法。压力容器为同材质材料制造而成，因不同的要求需要在容器外壁开出不同类型的小孔，这样就会导致压力容器整体抗压强度的下降，可能会导致压力容器的使用出现问题或是致使其使用寿命缩短。因此，在容器外壁所开小孔周围加以维持容器整体强度的保护措施，也就是开孔补强技术是非常重要的。在开孔补强技术的具体实施中，可以根据开孔位置、数量、以及对容器的其它需求等因素，大致分为整体补强和局部不强。 （一）整体补强 整体补强是一
3、种大面积的补强方式，它的使用只要在压力容器开孔较多或是局部不强不方便，以及容器整体强度不够需要整个压力容器进行补强作业时采用的方法。其优点在于补强位置全面、实施方便，在压力容器开孔较多位置集中是，能够提升开孔补强的工作效率。而他的不足在于，不能有针对性地对需要着重加强强度的位置进行补强，而且对单一开孔进行整体不强会造成材料的浪费。 （二）局部补强 局部补强相对于整体补强来说，就是以有针对性的补强方法对压力容器上所开的小孔进行强度补充。它的应用范围相对于整体补强要大很多，在没有特殊情况下，及压力容器的开孔补强都是进行局部不强的。它的特点是可以有针对性的对压力容器的某一处进行小孔补强，而不必像整体
4、补强一样对大面积的容器都进行补强作业。补强元件与壳体金属熔焊成一体的可作为整体受力结构，其抗疲劳性能好，如接管补强、整锻件补强和加厚壳体补强。补强圈补强属非整体受力结构，其抗疲劳性能较差。制造时如必须在主要焊缝上开孔，则应对开孔边缘的焊缝作 100%无损探伤。 二、开孔补强结构设计 开孔补强的结构设计在压力容器的生产和使用过程中起到至关重要的作用，他保障了压力容器的使用安全和使用寿命的延长。而且压力容器开孔补强结构的设计需要根据该压力容器的特点，有针对性地进行补强结构设计，不可盲目地对所有压力容器采用同种小孔补强设计和技术实施，如若不然，可能导致压力容器的抗压效果参差不齐，从而增加发生事故的几
5、率。开孔补强设计应遵循两个基本要求：要附加足够的金属来补偿由于开孔而引起的强度削弱，一般是通过补强计算来保证的；增加的补强材料直接设置在开孔的邻近部位上，但在剖面和外形上应作适当的处理，使其不再引起额外的应力集中。补强结构的设计就是围绕着这样的要求来进行的。在此重点介绍合理的补强结构设计方面应注意的问题。 （一）补强圈补强 补强圈补强是在容器的壁上另外焊接一块补强板来增加开孔处的承载面积，由于承受应力的金属面积增大了，所以开孔边缘处的应力峰值降低。补强圈的位置对最大应力值有较大的影响，实践已证明，在补强的有效范围内补以同样截面尺寸的金属材料，采用不同的位置时，对应力集中系数则有显著的影响。补强
6、材料均匀地布置在容器的内、外两侧，不会引起材料的不对称，从而避免产生附加弯矩和相应的弯曲应力。近年来大量的实际使用情况表明补强圈与器壁连接处的搭接焊缝，不仅因此处容器形状发生突变，造成较高的局部应力，还由于焊接过程中容器壁对焊缝金属具有很大的约束作用，妨碍其冷却收缩，从而容易在焊根处出现焊接裂纹。特别是高强度钢淬硬性大，对焊接裂纹比较敏感，更容易开裂。因此，必须采用预热及焊后热处理等措施，防止此焊接裂纹的发生。 （二）整体补强 整体补强则不受上述条件的限制，具有结构简单、焊缝质量容易检验、补强效果好、适用范围广、制造加工方便等优点，因此具有广泛的使用前景。若条件许可，推荐以厚壁管代替补强圈进行
7、补强。整体补强包括增加壳体厚度、或用全焊透结构型式将厚壁管或整体补强锻件与壳体相焊。整体补强一般采用厚壁管形式，厚壁管的材料应根据设备的操作条件和介质特性来选取，一般应选择与壳体材料相同类别和强度等级的材料。选择接管强度等级比壳体材料等级高的材料，对补强效果没有什么影响。若选择接管强度等级小于壳体材料强度等级的材料，则补强面积需按壳体材料与补强材料许用应力之比增加。 三、开孔补强结构设计应注意的问题 开孔补强机构设计在压力容器的设计中起到极其重要的作用，也正是因为这些作用，要求在对压力容器进行开孔补强是需要对其中包含的注意事项进行了解并严格遵守。只有充分到问题的重要性，并且严谨遵守操作步骤才能
8、有效避免问题的发生，避免为压力容器的使用埋下安全隐患，从而造成应用单位的不必要损失甚至威胁到有关人员的生命安全。下面本文对压力容器开孔补强结构设计应注意的问题进行探讨很分析，其中包括两点： （一）接管大端厚度一般不超过壳体厚度的 1.5 倍，最大不超过壳体厚度的 2 倍。这是因为接管越厚其刚度就越大，对容易产生冷裂纹的材料来说是不利的。另外，接管与壳体连接的厚度差越大，两者的刚度差就越大。但是开孔补强设计中，有时为了满足补强面积的要球，经计算接管厚度可能超过 2 倍的壳体厚度，这种情况下解决的方法有：1、接管伸入壳体内部可大大减小接管的大端厚度；增加开孔处局部壳体的厚度，以达到减小接管厚度，降
9、低接管厚度与壳体厚度之比值。 （二）开孔补强结构设计中另一个容易忽略的问题，就是当换热器管箱的开孔需要进行补强计算时，有时因管箱长度不够，不能满足有效补强范围的要求，同时又受工艺条件的限制，不能随意地增加管箱的长度，这时虽然设计了补强圈。 结束语 对于压力容器设计来说，开孔补强结构的设计是非常重要的一部分，这就要求了开孔补强结构的设计需要本着安全、合理、科学、经济的原则来进行，而且对其进行优质的设计可以大大降低压力容器的设计成本和生产成本。开孔补强技术对压力容器的安全性和实用性起到很大的作用，能够保障压力容器在内部压力下的安全使用，并能相应延长其使用寿命。对于需要应用到压力容器的行业来说，可以节约生产运输成本，降低在生产运输中出现事故的几率。本文通过对压力容器的开孔补强结构设计的研究与分析，对开孔补强的几种方法进行论述，总结出对于不同压力容器而是用不同开孔补强结构的优选设计，从而达到在压力容器的生产使用过程中追求追高性价比的目的，在保证压力容器质量的基础上，减少成本投入和资料浪费。
