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摘要：在壓力容器設計過程中，開孔補強設計在整個設計體系中占據著重要的位置，是設計中不可或缺的組成部分。我國已經在壓力容器的設計方面頒布制定了一系列的規范以及設計標準，其中強調一定要在開孔補強方面加強優化設計，做到正確精準的計算以及局部應力分析。然而，在現實設計應用中，開孔補強設計仍有許多設計缺陷以及部分弱點，在安全水平、科學合理性以及經濟成本方面急需進一步提高。本文主要分析了補強圈補強法、整體補強法以及分析法的特點及在壓力容器設計中的應用，希望能夠給壓力容器設計者帶來有價值的參考。

關鍵詞：開孔補強設計；壓力容器；設計；應用；探究

一、引言

通常，壓力容器由于各種工藝和結構的要求，需要在容器上開孔，由于開孔去掉了部分承壓金屬，不但會削弱容器器壁的強度，而且還會因結構連續性受到破壞在開孔附近造成較高的局部應力集中。這個局部應力峰值很高，達到基本薄膜應力的3倍甚至更高。再加上開孔接管處有時還會受到各種外載荷（如管道載荷、溫度載荷等）的影響，并且由于材質不用，制造上的一些缺陷、檢驗上的不便等因素的綜合作用，很多失效就會在開孔邊緣開始，主要表現為疲勞破壞和脆性裂紋，所以，必須進行必要的補強設計計算。在補強設計中應用的方法主要有：等面積補強法（包括補強圈補強法、整體補強法）和分析法。

二、容器開孔補強的受力特點及對開孔補強的要求

實際容器殼體開孔后，均需焊上接管或凸緣，而接管處的應力集中與殼體開光小圓孔時的應力集中不同。在操作壓力下，相貫的殼體與開孔接管在連接處各自的薄膜位移不相等，但最終的位移結果又必須協調一致。因此，在連接點處將產生相互約束力和彎矩，故開孔接管處就不僅僅是孔邊應力集中和薄膜應力，而且還有邊緣應力和焊接應力。另外，壓力容器的結構形狀、承載狀態和工作環境等，對接管處應力集中的影響均較開光孔復雜。所以殼體接管處的應力集中較光孔更為嚴重。但其衰減迅速，具有明顯的局部性，不會使殼體引起任何顯著變形，故可允許應力峰值超過材料的平均屈服應力。為了使孔邊的應力峰值降低至允許值，一定要進行開孔補強設計。由于開孔處的邊緣應力具有局部特性，所以，采取局部補強加固，效果就會比較明顯，常用的是整鍛件、厚壁管和使用補強圈等方法進行補強，GB150又增加了分析法。壓力容器開孔補強需要考慮多方面的因素，如壓力容器的操作工況、材料性能、進行開孔的具體位置以及開孔的數量等，然后根據具體需要，選擇適當的補強方法和結構，實施局部補強或者整體補強。

三、不同補強設計在壓力容器中的應用

（一）等面積補強法的概念及補強特點等

面積補強法，實際上補強的是殼體開孔喪失的薄膜應力抗拉強度斷面積，為此，其補強只涉及靜力強度問題，可采用補強圈補強和整體補強兩種結構型式。GB150規定，該法適用于壓力作用下殼體和平封頭上的圓形、橢圓形或長圓形開孔。當在殼體上開橢圓形或長圓形孔時，孔的長徑與短徑之比應不大于2。原因為，容器開孔接管處的應力集中系數與開孔的形狀、大小有關，開圓孔應力集中系數最小，橢圓孔較大，方孔更大。接管軸線與殼體法線不一致時，開孔將變為橢圓形而使應力集中系數增大。該法對開孔邊緣的二次應力的安定性問題是通過限制開孔形狀、長短徑之比和開孔范圍（開孔率）間接加以考慮的，使孔邊的局部應力得到一定的控制；長期的使用經驗證明該方法在允許使用范圍內，開孔邊緣的安定性能夠得到保障。該法對開孔邊緣的峰值應力問題未加考慮，為此不適用于疲勞容器的開孔補強。

1、補強圈補強設計在壓力容器中的應用當選擇使用補強圈（見下圖1）的方式進行補強設計時，其操作過程中需要保證滿足以下兩個方面：第一，要確保補強圈的厚度達到設計規范要求，進行科學性優化厚度設計。通常來說，補強圈的厚度不應該過厚，應該控制在壓力容器開孔位置厚度的1.5倍以下左右，在實際工程應用提取的相關實踐報告數據中，經過分析研究，當補強圈的厚度大于壓力容器開孔處厚度1.5倍左右時，厚度超出了規范要求，在進行補強圈焊接施工過程中，焊接角勢一定會有所增大，進而導致應力上升處于不連續狀態，極易造成受力不均衡帶來安全隱患。而且，還要保證所采用的補強圈能夠具有與設備本體材料一樣的性能，具有良好的延伸性、韌性以及優良的可塑性，保證選擇的補強圈材質在常溫情況下，屈服強度控制在400MPa以下。第二，當壓力容器處于以下幾種環境狀況時，不應該選擇補強圈補強設計方法，比如溫度處于大幅度變化中、所處環境極易發生腐蝕以及壓力容器所處環境極易被氧化等等不利的環境下；當壓力容器所承受荷載處于不斷變化中，也不應該采用補強圈補強設計方法進行補強。究其原因，制作補強圈的金屬材料大多設置在開孔應力最大的位置，該位置補強程度達到較高值，所以，補強圈補強主要使用擁有較低合金程度且強度比較高的鋼質容器中。一旦壓力容器對于補強質量要求極為嚴格，并且此種局部補強的方法不能從根本達到補強的需求標準，可以選擇其他的補強方法，比如整體補強方法。

2、整體補強設計在壓力容器設計中的應用整體補強是指采取增加殼體厚度，或用全焊透的結構型式將厚壁管或整體補強鍛件與殼體相焊的補強型式。與補強圈等補強方式進行對比，整體補強法擁有其更獨特的優勢，主要從以下幾方面體現：使用該方法，幾乎不會產生新的應力集中點，能夠保證容器外殼的應力水平降低到最低點，整體來看，能夠發揮出最有效的補強作用。對于中、低壓容器，由于補強的設計壓力處于較低狀態，質量要求和補強效果要求不高，從經濟性方面考慮，可優先選擇采用無縫鋼管或板材卷制鋼管（直徑較大時）進行補強，厚度應該控制在標準范圍內，相反，應該選擇鍛管進行補強。對于補強元件材料的選擇，一定要保證材質強度等級與被開孔容器材質強度等級一致，有些人主觀上認為在使用接管材料時，應該選擇更高的強度等級，但是，大量的實驗研究表明，這種主觀的想法是錯誤的，高強度等級的材料并不能發揮正面的強化效果，甚至對容器整體強度產生負面影響，這將影響壓力容器的結構穩定性以及降低可靠度，如果選擇的接管材料強度較低時，根據補強面積需要，必須增厚接管壁，采取增厚措施才能達到良好的補強效果。在實際應用中，經過不斷的實踐研究表明，厚壁管在每個路徑下承受的應力強度都比較大，為了科學有效解決此類問題，可以選擇引入內伸管，內伸管的結構形式將有利于接管根部應力的減小，在有效補強范圍內，內伸管與接頭處的應力強度成正相關，內伸管長度變長，接頭處的應力強度會變小。對于高溫高壓容器，應選用整體鍛件補強，但此方法也有其苛刻之處，由于高壓容器的接管與殼體的焊接結構宜采用對接方式，該方法對于客觀條件的要求較補強圈補強設計方法更多，尤其對于接管與殼體的過渡，往往需要更嚴格的要求，接管與殼體必須保證平緩過渡，避免在過渡區域殼體的某一處產生過多的應力。從現實的使用實踐來看，整體鍛件補強能夠達到優良的補強效果，但在實際施工操作方面卻對過渡焊縫等各方面要求極為嚴格，在具體施工過程中，對于施工技術人員的整體技術素質要求也會很高，當某一項條件達不到規范要求，或者某一步施工操作不當，都會大大降低壓力容器整體補強設計的效果。

（二）圓柱殼徑向開孔補強設計的分析法

分析法的模型假定接管和殼體是連續的整體結構，因此在使用分析法時，應保證焊接接頭的整體焊透性和質量。分析法的設計準則是基于塑性極限與安定分析得出的，通過保證一次加載時有足夠的塑性承載能力和反復加載的安定要求來保證開孔安全。GB150分析法與等面積法一樣，不能用于疲勞設計。GB150給出了兩種計算途徑，分別為等效應力校核和補強結構尺寸設計，等效應力校核直接算出開孔處等效薄膜應力強度和等效總應力強度，然后進行評定。如果有特殊要求的壓力容器開孔補強，可以根據要求進行評定。補強結構尺寸設計是在遵從GB150.3的等效應力的設計準則基礎上，給出最小設計結構尺寸。與等面積補強法相比，分析法具由以下特點：開孔的范圍變大；基本準確的計算出接管與殼體連接部位的應力然后進行評定；相較于等面積法，開孔率較大、筒體補強系數越大時，所需補強面積大于等面積補強法，因此安全裕度更大。

四、結束語

開孔補強設計作為壓力容器設計中的重要環節，其質量水平直接決定壓力容器能否安全工作，以及滿足服役壽命。為了能夠減緩開孔對容器壁強度以及整體壓力容器強度的不利影響，避免殼體與接管焊接處出現局部應力超限的現象，保證壓力容器開孔后仍能夠達到之前的使用功能以及強度要求，設計人員要全面了解掌握壓力容器的材質以及開孔需要，再選擇與之匹配的補強方法，還要掌握不同補強方法的優勢特征以及每種方法能夠應用的壓力容器類型，只有在選取方法前做出全面的衡量與考察，才能選擇出最優的補強設計方法，使得壓力補強的設計功效達到最優，減少安全隱患，避免安全事故的發生，確保壓力容器能夠正常可靠使用。

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作者：張靜 單位：蘭州蘭石重型裝備股份有限公司