压力容器设计中开孔补强设计探析

张皓斌

（华陆工程科技有限责任公司 西安 710065）

1 引言

在压力容器设计过程中，通常都会在压力容器壁上开孔，来为后续的安装和维修提供帮助。但是，不管是在压力容器的哪一个部分进行开孔，都会直接影响压力容器的性能，因为开孔后就会破坏压力容器自身的结构。此外，还因为压力容器所应用的环境大多较为复杂，所以为了能够减少开孔对于压力容器的影响，就需要合理应用开孔补强技术。

2 压力容器设计中开孔补强设计

2.1 设计内容

对于开孔补强技术而言，就是为了能够解决压力容器开孔所带来的问题，通过开孔补强能够很好地提升压力容器的性能。利用开孔补强技术对开孔的位置进行处理，就能够集中应力，并且减少承载能力，进而就能够削弱开孔边缘的强度，让开孔位置的应力能在合理范围内[1]。根据实际开孔补强设计对压力容器的影响，就需要在应用过程中，明确各部分的具体数据，严格按照要求来进行操作。只有这样，才能够更好地保证压力容器的质量。通常情况下，大型压力容器装置本身是固定在建筑结构中或是和工业建筑有一定关联的，以确保压力容器的稳定性和安全性。因此，在部分大型压力容器的开孔补强设计中，需要结合对工业建筑的结构特点，对现有关联结构进行分析，对建筑结构、辅助性固定装置进行优化。

2.2 设计方法

1）等面积补强。这种方法是在利用开孔补强技术过程中，通过在压力容器表面的一个有效区域增加补强材料的横截面积，并且保证横截面积要大于开孔损失面积，这样就能够更好地确保压力容器内外结构的平衡[2]。

2）分析设计法。这种方法是当前的一种新型开孔补强技术。在应用过程中，要能够提升焊接强度和质量，按照塑性极限的原理，来一次性的给予足够的承载力，并且通过反复加载的方法来保证让压力容器的开孔安全。这种方法在对数据计算过程中，会分为两种形式。首先，是对等效应，通过计算出开孔处的等效薄膜应力，进而来对其进行处理。其次，是补强结构设计。这是按照以往的设计要求来进行设计，会将压力容器和接管看作为一个整体，通过这样的结果来了解焊接头的质量和性能，并且作为最终操作的具体数据。

3）不另行补强[3]。在应用这种方法过程中，需要严格控制压力，要保证整个压力容器的压力在2.5 MPa。在于开孔中心位置不小于两个直径的地位进行处理，如果是开孔数量在3个以上，那么就应该确保不管是哪两个开孔煤气距离都需要小于开孔直径的2.5 倍。

3 压力容器设计中开孔补强设计的重要性

在设计压力容器过程中，经常会对压力容器进行开孔处理，进而为后续的连接和安装提供帮助，让压力容器能够满足不同的使用需求。而在应用压力容器的一段时间后，就需要对其进行保养，这样就需要通过开孔来达到目的。所以，这也能够看出，开孔是压力容器中不可缺少的处理内容，能够让压力容器的使用更加灵活。但是，在开孔过程中，会对压力容器自身造成一定的破坏，在开孔后会直接影响压力容器自身的抗压性能[4]。这是因为在开孔后，压力容器的内部结构发生变化，特别是在安装接管后，压力容器的内部和外部受力不能够保持均匀，这样就直接影响压力容器的正常使用。而在压力容器的改造过程中，意味着建筑结构的受力关系可能发生变化，而通过有效的开孔补强设计及工业建筑改造，有助于在强化压力容器可靠性的基础上，保证整个工业建筑、工业系统的稳定性。

4 压力容器设计中开孔补强设计的具体应用

开孔补强就是通过对开孔处增加强度的方法，以此来更好地提升压力容器开孔处的强度，保证在压力容器被开孔后，自身依然完整，从当前的实际应用上来看，开孔补强技术主要有3 个方面。

4.1 补强圈补强技术应用

补强圈补强技术，就是在设计压力容器过程中，能够明确开孔具体位置，然后，在开孔周围焊接钢板的方法，以此来实现补强，在这其中所焊接的钢板就被称之为是补强圈。并且，在当前科学技术的影响下，在应用补强圈补强技术过程中，会有两种模式。那么就应该根据实际情况来选择相应的补强圈，保证与压力容器壁材料相同的基础上，使用正确的开孔补强技术，掌握好补强圈的具体面积和尺寸。如果在这其中没有明确补强圈的具体面积，就可以从压力容器开孔的实际情况出发，来依照补强原则来计算补强圈的具体面积，以此来让补强圈补强设计工作能够更加顺利地开展。在应用开孔补强技术过程中，如果是利用补强圈这种方法，那如果其补强圈的厚度超过8 mm，那么在进行补强过程中就应该保证全部焊透，确保补强圈和容器壁的受力均匀。与此同时，在利用补强圈来对其补强过程中，还应该能够明确补强圈的内外位置，保证所选择焊接位置合理，进而来不断提升补强质量。在正常情况下，如果是利用补强圈补强设计方法，大多都是将补强圈焊接在压力容器的外壁，通过单面补强的方法来达到目标，以此来更好地发挥补强价值，进而来保证压力容器的设计合理。

补强圈的结构并不复杂，而且应用广泛，所以在当前也受到广泛的关注。但是，在完成补强后，会使得补强圈和压力容器外壁之间存在气隙，这样就会影响压力容器的传热效果，甚至还会导致压力容器出现内部温差，如果温差过大就会直接影响压力容器开孔补强的效果，在应用过程中也容易出现问题。在焊接补强圈和压力容器外壁的时候，如果其内部结构受力存在问题，不能够保证受力均匀的基础上，就非常容易出现变形问题，进而就影响压力容器的整体疲劳，导致压力容器运行安全系统有所降低。

4.2 整体锻件补强设计应用

通过将其对比就能够了解到，整体锻件补强和补强圈存在着不同，补强圈主要是对特定位置来进行处理，而整体锻件则是通过降低压力容器自身强度的方法，来避免应力集中。所以，这种方法的补强效果要好于补强圈。根据相关研究就能够发现，在设计压力容器开孔补强技术过程中，整体锻件的要求更高，特别是在二者过渡之间，如果没有合理地进行补强，那么就会严重地影响最终的补强效果，甚至直接影响压力容器的正常使用。因此，在利用这种补强技术过程中，就应该先保证压力容器补强的合理，提高压力容器的开孔可靠性，保证整体锻件的补强设计都能够在合理范围内，更好地发挥整体锻件的作用，保证压力容器的质量。但是，需要注意的就是整体锻件补强方法，很容易受到外界因素的影响，在对压力容器外壁进行补强的时候，容易导致压力容器外壁不平稳。虽然，这种补强设计方法具有很好的补强效果，但是，因为会受到外界因素的影响。所以，在应用上有着较大的难度，而且所需要投入的成本也比较高，一些单位并不会利用这种方法。

4.3 厚壁接管补强技术

这种补强技术在应用过程中，需要选择正确的后壁接管材料，一般情况下会根据压力容器的材料情况来进行选择，所明确的材料强度应该能够和母体相同，确保其范围不能够过高，也不能够过低。因为如果过高，那么就会影响最终焊接质量，而如果过低的话，就会导致接管流通面积受到影响，这样就使得最终在焊接完成后，其压力有所下降，影响后续的使用。可以在这其中利用无缝钢管的方法来更好地避免这一问题。在发现压力容器压力较高的时候，那么就可以利用整体锻件补强方法，如果是压力较低，那么就可以利用后壁接管补强方法。

5 结语

总而言之，在压力容器设计过程中，开孔补强设计是其中的重要内容，最终的设计效果就影响压力容器的正常使用。所以，在进行开孔补强设计过程中，就应先了解压力容器的情况，并且使用正确的开孔补强方法，进而避免因为应力集中而导致压力容器的外壁受到损坏。通过对不同开孔补强方法的应用，就能够更好地提升压力容器的设计质量，发挥开孔补强最大的性能，为后续压力容器的检修提供帮助，也能够确保生产的顺利进行。