摘要：想要保证压力容器功能强大，性能完好，在压力容器壁上开孔设计不可缺少，然开孔对压力容器的结构与性能均产生一定影响，开孔补强技术因此而被广泛应用于压力容器的设计中。在开孔补强设计中，应根据容器自身特点进行补强，进一步增强容器应用的安全性，避免容器遭受不必要的损害，保证压力容器的质量。
关键词：开孔补强设计；压力容器设计；应用
1 开孔补强设计的简单概述
1.1 开孔补强设计的重要性
在进行压力容器的设计中，开孔处理的操作极为常见。一般来讲，在压力容器壁上开孔多是为了后期接管方便，满足压力容器的功能齐全，除此外，在对压力容器进行全面维修与养护、调试之时，相关人员也经常会对容器壁进行开孔处理，保证容器的正常运行。然而，压力容器本身是一个密闭的容器，其在运行的过程中承受着压力的荷载，而开孔处理使得压力容器内部应力出现断层差异，在很大程度上降低了容器对压力的荷载能力，降低了容器的性能。除此外，在开孔处接管促使容器内部受力不均问题凸显，另外应容器材料问题等多方因素，造就了压力容器难以达到设计时的效果，极大降低了压力容器的性能。据17年某地发生的石油石化企业的密闭容器爆炸事件调查，造成故障发生的原因竟是相关工作人员在检修时在容器壁上进行开孔，然却疏忽了开孔补强设计，最终导致事故发生，由此可见，在设计压力容器或容器检修时，了解容器的相关规范，在保证容器性能的同时，对开孔进行补强设计极为重要。
1.2 开孔补强设计的公式
在相关技术人员对容器开孔进行补强设计时，除了对补强方法、容器内部应力等的思考外，还应注意对补强设计的计算。目前，补强设计所应用的计算方法主要是a+b+c≥d，在此公式中，a表示补强设计时的多余面积，a=容器壳体有效厚度-计算厚度。b也是表示多余面积，与a不同的是，b=接管的有效厚度-计算厚度。c表示补强区域焊接时的金属截面积。d指的是压力容器开孔补强的面积，由此公式可看出，并不是所有的压力容器均需补强，在压力容器设计实行补强设计前夕，需进行多方测量与计算来确定。
2 开孔补强设计在压力容器设计中的应用现状
压力容器开孔处的应力是开孔补强设计重点考虑的因素。一般分为峰值应力、弯曲应力和局部薄膜应力三种形式，三种应力之间的性质有着明显的区别，需要结合不同的应力选择不同的开孔补强设计方法。第一，峰值应力主要开孔补强设计主要考虑的是对压力容器的疲劳度和破坏方面，若是只考虑对压力容器造成的破坏而忽视疲劳度，则开孔补强设计失败，且压力容器受到严重损坏，不能继续应用于化工行业气液体的存储方面。第二，弯曲应力主要作用使提高压力容器的稳定性。只有压力容器保持稳定，才能保证存放气液体的稳定，进而保证存放的安全性。第三，局部薄膜应力的开孔补强设计，需要避免压力出现不稳定的现象，因此，确保开孔处截面的静力强度符合压力容器的开孔补强设计需要。压力容器设计中需要结合三种不同的应力需求，设计满足不同应力需求的开孔补强，进而提升压力容器的性能，提升其使用效果。
3 开孔补强方法的选择
3.1 等面积补强法
等面积补强法的原则：在容器与接管连接处周围的补强面积等同于壳体开孔时所减少的截面积。等面积补强法的特点：安全可靠、使用简便、多用于中低压容器的开孔补强中。
3.2 极限分析法
極限分析法的原则：分析实验应力，并根据不同接管、不同参数来测量应力集中参数，并绘出K=f（d、D、S0、S1）曲线，根据曲线图进行计算。极限分析法的特点：多用于对设备要求不高、容器仅受蠕变范围之外的恒定压力作用下的开孔补强。
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3.3 安定性准则法
安定性准则法的原则：计算时，若一次薄膜应力+二次薄膜应力<两倍屈服应力值，则容器安全性有保障。安定性准则法的特点：多用于受循环压力作用的容器，且开孔结构满足安定性准则情况下应用，防止受到高应变疲劳或增量破坏而降低容器的性能。
4 开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析
4.1 开孔补强设计厚壁接管
厚壁接管补强设计在压力容器补强设计中属于一种重要的补强方式。在运用厚壁接管补强设计的方法时必须要高度的重视接管材料的选择问题，这是由于这种补强方法的补强效果在很大程度上取决于接管材料的选择。在具体的补强设计中应按照壳体材料的功能、性质和特征选择合适的材料，并且要保证选择与容器壳体材料性质相一致的接管补强材料，从而使金属材质的融通性得到有效地保证。一些人认为，在选择接管材料时候需要采用具有更高强度的材料，但是大量的实践表明，过高强度等级的接管材料除了无法将正面的补强功效充分地发挥出来，在一定程度上还会导致出现各种不良的负作用，会使容器结构的整体稳定性和牢固性受到不利影响，因此这种主观想法并不科学。而如果选择具有较低强度等级的接管材料，还应针对接管壁实施增厚处理，确保其能够达到理想的补强效果，而且在具体的应用中这种较低强度等级的接管材料具有更多的施工工序，无法控制和确保开孔补强效果。要想使上述的问题得以解决，就可以采用锻件加工技术和无缝钢管技术等对厚壁连接补强技术进行优化，从而有效地控制容器补强的误差。如果具有很小的补强设计压力，相应的具有较低的补强效果和质量要求，这时候就可以选择厚度适宜的无缝钢管技术，如果具有很大的补强设计压力，这时候就需要采用锻件加工技术。
4.2 开孔补强设计补强圈
补强圈主要作用是弥补局部薄膜应力，进一步保证压力容器的使用安全。开孔补强设计补强圈的过程中，主要考虑以下几个方面的因素：第一，压力容器的使用环境和存放物质的性质。若是压力容器存放的是腐蚀性能较强的物质，且外界的环境温差较大，则不适合使用补强板对压力容器实施补强设计。同时，若是压力容器开孔处存在负载或是扭矩均不适合使用补强板，需要考虑其他方式对压力容器进行补强设计。第二，补强板的设计尺寸需要按照国家的相关规定，结合压力容器开孔处的壁厚设计，若是补强板的厚度过大，不仅焊接的难度加大，影响焊接效果。同时，焊接过程中容易出现受热导致补强板变形，甚至是补强板断裂、以及焊接不完全等现象，最终由于补强板的缺陷影响压力容器的使用。可见，补强圈在压力容器的开孔补强中有着重要意义，设计人员要重视补强圈的设计，增加压力容器的使用安全。
4.3 开孔补强设计整体锻件
压力容器的补强设计中，选择整体锻件补强设计主要是由于容器的使用环境比较恶劣，且设计精度的要求较高，通过整体锻件补强设计的形式提高压力容器的补强设计精度，提升其使用效果。相较于其他形式的补强设计，整体锻件的补强设计效果最好，通过整体锻件能够有效减少压力容器整体的受力，并且不会增加新的受力点，影响压力容器的安全性能。开孔补强设计整体锻件中，需要平缓的过度整体锻件和压力容器壁，且避免过渡的过程中出现应力过于集中的现象，故而，整体锻件补强设计技术要求较高。
结束语
开孔补强设计在压力容器设计中属于一项重要环节，压力容器的使用寿命在很大程度上取决于开孔补强设计的质量。由于我国目前已经出台了关于压力容器设计的规章制度，所以必须要高度重视压力容器的开孔补强设计工作，从而使容器壁强度受到的开孔负面影响得以减少，并且解决大量局部应力集中在壳体和结合处的问题。总之，利用科学合理的补强方式可以有效地避免压力容器使用中的安全事故，有效地保证压力容器的正常使用。
参考文献：
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[3]海仁沙•居马洪，肖浪.开孔补强设计在常规压力容器制造中的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2013（08）.
论文作者:范悦
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/22
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