压力容器设计中开孔补强设计的应用及实践

王刚

摘要：工业生产中，压力容器的应用范围非常广泛，如承载各种介质，包括有毒有害的、强腐蚀性的介质，实现介质的存储、反应、能量交换等。压力容器的壳体上需要设置接管，用于与工作系统中的管道、阀门等连接，通常还需要设置检查孔，用于压力容器的检修、维护。接管及检查孔会在压力容器本来完整的承压边界上形成开孔，会削弱其安全可靠性。为保障压力容器可以安全运行，就要在容器开孔之后，以科学的方案实施补强处理。本文对压力容器设计中开孔补强设计的应用及实践进行分析及研究。

关键词：压力容器设计;开孔补强设计;承压壳体;应用实践

随着社会经济的高速发展，压力容器的应用范围不断扩大，其优势包括运行稳定、储量大、安全可靠性强等。应用压力容器时，为满足实际的运行和检修需求，需要设置很多外接管和检查孔，从而会在压力容器承压壳体上形成开孔。压力容器的开孔设计必须达到补强的需求，以保证整体强度和稳定性满足压力、温度等载荷条件，维持压力边界完整。而且，压力容器大多存储危害性介質，如果压力边界破损，将发生安全事故，会导致严重的社会危害，因此，压力容器设计中的开孔补强的设计工作必须要科学合理。

一、开孔补强的限制条件和设计方法

（一）限制条件

压力容器开孔设计过程中，壳体开孔的形状以及直径具有一定的限制，各种类型的受压元件的开孔尺寸需满足以下要求：圆筒内径≤1500mm时，开孔直径需小于0.5Di（Di为圆筒内径）和520mm中的较小值，圆筒内径>1500mm时，开孔直径需小于Di/3和1000mm中的较小值;锥壳或锥形封头的开孔直径需低于Dk/3（Dk为开孔中心处的锥壳内直径）;凸形封头或球壳的开孔直径需在0.5Di（Di为封头内径）之内;对于椭圆形、长圆形的开孔，长短轴之比不得大于2.0。

（二）设计方法

压力容器的开孔补强设计方法包括补强圈补强和整体补强两种。

补强圈补强结构简单，制造方便，使用经验丰富。但补强圈与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，二者存在较大的热膨胀差，因而使补强局部区域产生较大的热应力;另外，补强圈与壳体采用搭接连接，难以与壳体形成整体，所以抗疲劳性能差。这种补强结构一般使用在静载、常温、中低压、材料的标准抗拉强度低于540MPa、补强圈厚度小于或等于1.5接管壁厚、壳体名义厚度不大于38mm的场合。

整体补强设计应用范围广泛，尤其在开孔较大的容器中补强效果良好。整体补强结构与开孔区域结构连续、形成整体，具有优异的抗疲劳性能。

二、压力容器设计中开孔补强设计的应用

（一）补强圈补强方式的应用

采用补强圈补强方法，目的就是将承压壳体的局部开孔结构的承载能力进行强化，在容器壁上焊接补强圈，通过间接增加容器壁的金属厚度，有效地提升强度。补强圈一般焊接在压力容器的外部，接管与壳体的交界位置，可有效增强压力容器的承压能力。设计补强圈时，需要对补强圈的材料及厚度进行合理可靠地控制，确定补强圈材料及厚度时，设计者要考虑容器规格、开孔尺寸、补强特点等，结合补强圈的使用范围，对于补强圈进行合理设计。对于低合金高强度钢压力容器开孔补强的设计，通常运用补强圈补强方式，不能满足既定要求后，再调整为整体补强方式。

（二）厚壁接管补强方式的应用

厚壁接管补强是常用的整体补强方式。运用厚壁接管补强方法时，对于厚壁接管的材料具有较高的要求，而且，压力容器壳体材料的性能以及压力容器的运行环境等都是影响因素，需要高度重视。开孔补强设计时，壳体材料的许用应力如果比补强材料大，需按比例增加补强面积，将补强能力进行强化，反之，不可减小补强面积，以保证压力容器的安全性能。运用厚壁接管补强方式时，并不是接管材料的强度越高越好，若选取的接管材料的强度超过壳体材料较大时，会提升焊接作业的难度，同时增加压力容器的应力集中程度，提高疲劳因子，对于压力容器的使用寿命不利;若接管材料的强度比壳体材料低很多，则需要增加接管壁厚，以获得更多的补强面积，会导致焊接工作了增大，影响接管流通面积等问题。选取接管材料时，需要考虑壳体本身的材料特性，选取的接管材料应与壳体材料相适应、相互协调，接管的壁厚尽量控制在壳体壁厚的0.5～2倍。采用厚壁接管补强方式时，可以使用锻件材料加工接管，以减少误差，提高精度;在设计压力较小、补强对壁厚要求较低的情况下，也可使用无缝钢管。

三、开孔补强设计在压力容器设计的实践案例

（一）设计条件

某压力容器圆筒的内直径、设计压力、设计温度分别是16OOmm（Di）、2.16MPa（p）、60℃（t），液态氨为容器中承装的介质，其腐蚀余量c2为2mm，焊接接头系数φ为1。容器使用Q345R钢板材材料，壳体名义厚度δn为15mm，钢板厚度负偏差c1为0.3mm。基于设计温度为60℃的环境下，壳体材料许用应力[ ]=189MPa，考虑钢板材料厚度负偏差及腐蚀裕量，有效厚度δe为12.70mm。此容器圆筒壳体上有开孔，装设内平齐159×15的接管，接管壁厚负偏差为0.3mm，外部伸出高度为120mm（h1），有效厚度δet为12.7mm，接管材料设计温度下的许用应力与壳体材料相等，接管与壳体焊缝脚高15mm。

根据设计条件，此压力容器壳体上接管处的开孔直径大于GB150.3-2011规定的免除开孔补强的开孔直径（89mm），所以需要进行开孔补强设计。根据GB150.3-2011，计算出压力容器圆筒壳体的计算厚度：

=2.16*1600/（2*189-2.16）=9.2mm

接管的计算厚度：

t=2.16*129/（2*189-2.16）=0.75mm

圆筒壳体上的开孔直径：

dop=159-15*2+2*2+2*0.3=133.6mm

需要的开孔补强面积：

A=133.6*9.2=1230mm2

（二）明确开孔补强范围

根据GB150.3-2011，可以把压力容器开孔补强有效补强范围划分成沿被开孔壳体的经线方向、沿接管的轴线方向两个方向。按照设计条件，计算有效补强的宽度：

B=max（2*133.6，133.6+2*15+2*15）=267.2mm

外部有效补强高度：

h1=min（√（133.6*15），120）=44.7mm，

内深高度为0，内部有效补强高度为0。

计算补强面积A1、A2、A3：

A1=（267.2-133.6）*（12.7-9.2）=467.6mm2

A2=2*44.7*（12.7-0.75）=1068.3mm2

A3=15*15/2*2=225mm2

有效补强补强面积Ae：

Ae=A1+A2+A3=1760.9mm2>A=1230mm2

即压力容器的开孔补强面积满足要求，不需另外补强。

结语：

开孔补强设计是压力容器设计过程中的关键组成部分，在开孔补强设计过程中，合理选用开孔补强方式，最大限度地降低压力容器承压边界的应力集中，减少压力容器的疲劳破坏倾向，能有效地整体提升压力容器的使用安全性和可靠性。如何进一步减小不同方式开孔补强的负面影响，进行更合理地优化和改良压力容器开孔补强设计，还需要相关的行业主管部门和专家学者不断地探索和研究。

参考文献：

[1]唐清辉. 化工压力容器的选材及补强设计方案研究[J]. 化工设计通讯，2019，45（10）：159-160.

[2]张松. 压力容器设计中开孔补强设计的运用[J]. 中国石油和化工标准与质量，2019，39（06）：167-168.