压力容器规则设计中的开孔补强设计探究

压力容器规则设计中的开孔补强设计探究

朱蒙蒙

山东双涵石化装备有限公司 山东省淄博市 255400

摘 要：压力容器成为了当前我国工业生产中广泛应用的设备之一，而对于开孔补强设计来说，其是当前压力容器设计中的重要环节，在开展这一环节的设计工作时，应该严格按照我国现行的《钢制压力容器》、《钢制化工容器强度计算规定》等文件要求，进而保证设计工作开展规范程度，这样才能使压力容器的综合质量得到保证。基于此，本文对压力容器规则设计中的开孔补强设计要点进行了分析，希望可以为今后容器制造业生产制造业务开展提供微薄经验。

关键词：压力容器；规则设计；开孔补强；设计要点

前言

就目前我国压力容器的开口补强设计情况来看，主要应用的开口补强方法包括等面积法、压力面积法、极限分析法、实验屈服法等，可以看出，可应用的开口补强方法较多，应该根据压力容器设计制造的实际要求来选择最为适宜的开口补强设计方式，这样才能使压力容器产品的综合质量得到保证。目前，等面积法、极限分析法在我国压力容器的开口补强设计中的应用最为常见，主要由于上述两种方法的成本更为可控，且可操作性更强。

一、压力容器开孔补强受力特点及要求分析

对于压力容器而言，容器壳体的开孔操作至关重要，完成壳体开孔后，应该进行接管焊接操作，需要对接管处的应力集中情况进行合理设定，一般来说，接管处的应力集中与壳体小圆孔处的应力集中存在明显差异，在具体进行压力容器开孔补强操作时，应该正视上述差异，要保证最终壳体与开孔接管的薄膜位移协调一致，这样才能使压力容器在后续使用过程中充分发挥效果。在进行连接点设计时，应该考虑到连接处结构互相约束及弯矩情况，这样才能使集中应力的设定更为合理。此外，还要对当前压力容器的结构形状、承载状态、工作环境进行确定，以此为基础对接管处的应力集中情况进行确定。在进行压力容器开孔处理时，由于开孔处的边缘应力具有局部特性，因此，要注意对其采取局部补强加固的方式，这样可以使加固效果得到保证[1]。在补强设计过程中，主要是用整体锻件、厚壁管等进行补强，要对其结构进行深入分析，从而保证补强效果。同时，还要注意在压力容器补强过程中，充分考虑到多种因素的影响，例如，压力容器操作工况、材料特性等，其都会对容器的开孔补强效果产生一定影响，要根据压力容器设计的具体需求来选择最为适当的补强方法及结构。

二、压力容器规则设计中的开孔补强设计要点分析

（一）等面积补强法的补强特点及设计要点

对于等面积补强法来说，在将其应用到压力容器的开孔补强设计中时，要注意保证其设计规范性，主要是利用壳体开孔丧失的薄膜应力来形成抗拉强度断面，因此，在对此种方式进行应用时，应用范围仅涉及到静力强度方面，可以应用补强圈或整体补强两种结构方式，这也更加有利于对其补强效果进行控制。

首先，补强圈补强法。对于此种补强方法来说，在正式进行补强设计时，应该先对补强圈的厚度进行合理设定，保证其与我国现行的行业标准相符，一般而言，补强圈的厚度不能过大，要将其控制在压力容器开孔位置厚度的1.5倍以下[2]。如果补强圈的厚度较大，则会导致接下来的焊接作业受到一定影响，例如，可能会出现焊接角增大的现象，进而导致应力不连续，对压力容器后期使用安全产生负面影响。同时，还应该保证所选择的补强圈材料本身质量及性能达到标准，例如，要保证材料的延展性、韧性符合要求，这样才能使补强效果得到保证。此外，如果环境温度变化幅度较大或所处环境容易对设备产生腐蚀作用时，则要注意首选补强圈补强法，此种设计方法的应用可以使补强效果得到保证[3]。

其次，整体补强法。对于整体补强法来说，其主要是通过增加压力容器壳体厚度的方式来达到补强效果，一般来说，会考虑应用全焊透的结构形式，对于此种结构形式来说，其补强优势更为明显，主要体现为不会产生新的应力集中点、经济性较为突出等，因此在当前我国压力容器开孔补强设计中有较为广泛的应用。在应用整体补强法进行压力容器的开孔补强设计时，应该根据具体的补强面积要求来对接管壁的厚度进行设定，这样可以使补强效果更为理想。由于在开展整体补强设计时，厚壁管的每个路径都需要承受一定的应力强度，要着手解决此类问题，可以通过引入内伸管的方式来减小接管根部的应力，这样更加有利于对接头处的应力进行控制，同时也保证了补强设计效果[4]。从整体补强法的实践应用情况来看，其对过渡焊缝等方面的操作有严格要求，需要相关施工技术人员自身具备极强的专业素质，可以根据实际要求来保证各操作环节的规范性，如果其中某一环节操作不当，则会导致压力容器的补强设计效果受到影响，进而直接影响压力容器功能发挥[5]。

（二）极限分析法的补强特点及设计要点

在对分析法进行应用时，需要先对压力容器的整体结构进行确定，应用极限分析法来构建起相应的模型，假定接管与壳体之间已经形成了具有连续性的整体结构。在应用极限分析法的过程中，应该保证焊接接头的整体焊透效果，这样才能使环节质量得到保证。当前，我国行业内部已经形成了较为完善的分析法设计准则，其是以塑性极限与安定分析为基础，进而保证了开孔操作安全。在极限分析法中，GB150分析法较为常见，其与等面积法存在相似之处，即，都不能用于疲劳设计。在具体应用GB150分析法进行开孔补强设计时，应该注意根据具体要求来对应力强度进行合理设定，这样可以使有特殊要求的压力容器补强设计方案更具针对性，同时也保证了设计成效。在进行补强结构尺寸设计时，应该明确要点，尤其要根据容器设计质量要求及作业环境来确定最小设计结构尺寸。将当前应用分析法与等面积补强法进行多层面对比，可以看出，分析法在开孔补强设计中的应用优势更为明显，主要体现为以下几个方面：首先，极限法的开孔范围更大，也将更加有利于操作；其次，极限法的开孔率更大，并且补强面积也要大于面积补强法。今后应该根据压力容器设计实际要求来选择最为适宜的补强方法，这样才能使压力容器在后续投入使用过程中安全性及稳定性得到保证。

结束语

综上所述，在正式开展压力容器设计时，补强设计是其中的重要环节，其设计科学性会直接影响到压力容器在后续使用过程中能否保证安全作业状态，同时也会直接影响到容器的使用寿命。因此，要注意做好压力容器的开孔补强设计工作，通过这种方式来提高容器壁强度，这也可以起到避免壳体与接管焊接处出现局部应力不符合标准的现象。在对压力容器补强方法进行选择时，需要设计人员全面了解当前压力容器的材料及具体开孔需求，这样才能保证所选定的补强方法更具针对性，进而使压力容器的补强设计功效达到最佳状态，这也可以明显降低设备运行过程中出现安全事故的可能性。今后，还应该不断创新工业压力容器设备的补强设计方案，从而保证所制造出的压力容器适用范围更广，这也可以对我国生产制造业的稳定发展提供助力。

参考文献：
[1] 兰春林,张涵进.压力容器封头上锥形接管开孔补强的计算[J].石油和化工设备,2017,20(4):29-31.

[2] 马锐,王娜.压力容器设计中的厚度问题[J].辽宁化工,2018,42(5):520-522.

[3] 王诗顺.ASME与GB150等面积法开孔补强的比较[J].山东化工,2017,41(12):100-102.

[4] 滕野.开孔补强设计在压力容器设计中的应用[J].科技展望,2019,10(6):143-143.

[5] 晏彦忠.基于ANSYS Workbench的压力容器长圆形视镜开孔补强应力分析[J].化工设备与管道,2020,57(2):7-9.