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摘要：开孔补强设计作为压力容器设计中的重要环节，其质量水平直接决定压力容器能否安全工作，以及满足服役寿命。为了能够减缓开孔对容器壁强度以及整体压力容器强度的不利影响，避免壳体与接管焊接处出现局部应力超限的现象，保证压力容器开孔后仍能够达到之前的使用功能以及强度要求，设计人员要全面了解掌握压力容器的材质以及开孔需要，再选择与之匹配的补强方法，还要掌握不同补强方法的优势特征以及每种方法能够应用的压力容器类型，只有在选取方法前做出全面的衡量与考察，才能选择出最优的补强设计方法，使得压力补强的设计功效达到最优，减少安全隐患，避免安全事故的发生，确保压力容器能够正常可靠使用。
关键词：压力容器；开孔补强；设计
引言
在压力容器设计中，开孔补强计算是强度计算中必不可少的内容。筒体或封头等连续回转体，由于开孔破坏了其连续性，局部开孔处的应力将不满足平衡条件，因此需要在开孔处的局部进行补强，常用的补强方式有补强圈、厚壁管、加厚壳体等方法。
1开孔补强设计概述
1.1开孔补强结构
在将开孔操作应用于压力容器后，容器的抗压强度在开孔周围中不可避免的会有所降低，而在对其提升的过程中，就形成开孔补强结构。在不同的施工环境中，压力容器的制作通常可以对多种材质材料进行应用，此时必须将多种小孔预留在外壁上，在这一过程中，会导致整体抗压强度在压力容器中有所降低，而此时各种问题也将在使用压力容器的过程中产生，其使用的时间也将被缩短。
1.2开孔补强设计计算
在设计开孔补强的过程中，设计质量会受到应力、补强方法等的影响，与此同时，另一个重要的影响因素就是开孔补强设计计算。A1＋A2＋A3≥A是主要的设计方法。其中，壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积用A1来表示；而接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积用A2来表示；在焊接补强区的过程中，会因为焊接而产生焊缝截面积，这一面积就用A3来表示；而开孔过程中，压力容器在开孔处削弱所需的补强面积用A来表示。因此，从上述公式中可以发现，补强是压力容器设计中的关键环节之一，同时在对补强设计确定的过程中，也应从多个角度出发展开分析和计算。
2不同补强设计在压力容器中的应用
2.1补强圈补强设计在压力容器中的应用
当选择使用补强圈的方式进行补强设计时，其操作过程中需要保证满足以下两个方面：第一，要确保补强圈的厚度达到设计规范要求，进行科学性优化厚度设计。通常来说，补强圈的厚度不应该过厚，应该控制在压力容器开孔位置厚度的1.5倍以下左右，在实际工程应用提取的相关实践报告数据中，经过分析研究，当补强圈的厚度大于压力容器开孔处厚度1.5倍左右时，厚度超出了规范要求，在进行补强圈焊接施工过程中，焊接角势一定会有所增大，进而导致应力上升处于不连续状态，极易造成受力不均衡带来安全隐患。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆而且，还要保证所采用的补强圈能够具有与设备本体材料一样的性能，具有良好的延伸性、韧性以及优良的可塑性，保证选择的补强圈材质在常温情况下，屈服强度控制在400MPa以下。第二，当压力容器处于以下几种环境状况时，不应该选择补强圈补强设计方法，比如温度处于大幅度变化中、所处环境极易发生腐蚀以及压力容器所处环境极易被氧化等等不利的环境下；当压力容器所承受荷载处于不断变化中，也不应该采用补强圈补强设计方法进行补强。究其原因，制作补强圈的金属材料大多设置在开孔应力最大的位置，该位置补强程度达到较高值，所以，补强圈补强主要使用拥有较低合金程度且强度比较高的钢质容器中。一旦压力容器对于补强质量要求极为严格，并且此种局部补强的方法不能从根本达到补强的需求标准，可以选择其他的补强方法，比如整体补强方法。
2.2整体补强设计在压力容器设计中的应用
整体补强是指采取增加壳体厚度，或用全焊透的结构型式将厚壁管或整体补强锻件与壳体相焊的补强型式。与补强圈等补强方式进行对比，整体补强法拥有其更独特的优势，主要从以下几方面体现：使用该方法，几乎不会产生新的应力集中点，能够保证容器外壳的应力水平降低到最低点，整体来看，能够发挥出最有效的补强作用。对于中、低压容器，由于补强的设计压力处于较低状态，质量要求和补强效果要求不高，从经济性方面考虑，可优先选择采用无缝钢管或板材卷制钢管（直径较大时）进行补强，厚度应该控制在标准范围内，相反，应该选择锻管进行补强。对于补强元件材料的选择，一定要保证材质强度等级与被开孔容器材质强度等级一致，有些人主观上认为在使用接管材料时，应该选择更高的强度等级，但是，大量的实验研究表明，这种主观的想法是错误的，高强度等级的材料并不能发挥正面的强化效果，甚至对容器整体强度产生负面影响，这将影响压力容器的结构稳定性以及降低可靠度，如果选择的接管材料强度较低时，根据补强面积需要，必须增厚接管壁，采取增厚措施才能达到良好的补强效果。在实际应用中，经过不断的实践研究表明，厚壁管在每个路径下承受的应力强度都比较大，为了科学有效解决此类问题，可以选择引入内伸管，内伸管的结构形式将有利于接管根部应力的减小，在有效补强范围内，内伸管与接头处的应力强度成正相关，内伸管长度变长，接头处的应力强度会变小。
对于高温高压容器，应选用整体锻件补强，但此方法也有其苛刻之处，由于高压容器的接管与壳体的焊接结构宜采用对接方式，该方法对于客观条件的要求较补强圈补强设计方法更多，尤其对于接管与壳体的过渡，往往需要更严格的要求，接管与壳体必须保证平缓过渡，避免在过渡区域壳体的某一处产生过多的应力。从现实的使用实践来看，整体锻件补强能够达到优良的补强效果，但在实际施工操作方面却对过渡焊缝等各方面要求极为严格，在具体施工过程中，对于施工技术人员的整体技术素质要求也会很高，当某一项条件达不到规范要求，或者某一步施工操作不当，都会大大降低压力容器整体补强设计的效果。
2.3圆柱壳径向开孔补强设计的分析法
分析法的模型假定接管和壳体是连续的整体结构，因此在使用分析法时，应保证焊接接头的整体焊透性和质量。分析法的设计准则是基于塑性极限与安定分析得出的，通过保证一次加载时有足够的塑性承载能力和反复加载的安定要求来保证开孔安全。GB150分析法与等面积法一样，不能用于疲劳设计。GB150给出了两种计算途径，分别为等效应力校核和补强结构尺寸设计，等效应力校核直接算出开孔处等效薄膜应力强度和等效总应力强度，然后进行评定。如果有特殊要求的压力容器开孔补强，可以根据要求进行评定。补强结构尺寸设计是在遵从GB150.3的等效应力的设计准则基础上，给出最小设计结构尺寸。与等面积补强法相比，分析法具由以下特点：开孔的范围变大；基本准确的计算出接管与壳体连接部位的应力然后进行评定；相较于等面积法，开孔率较大、筒体补强系数越大时，所需补强面积大于等面积补强法，因此安全裕度更大。
结束语
综上所述，现阶段，我国制定了一系列标准，对压力容器设计进行了规范，因此相关领域工作人员更应当加大对开孔补强设计的重视，促使开孔过程中对容器壁强度的影响降到最低，促使壳体上在开孔区域集中的局部应力问题得到缓解。由此可见，在对压力容器进行使用的过程中，要想降低安全隐患，就必须对补强方式进行合理的选取与应用。
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论文作者:周恩朋
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第31期
论文发表时间:2018/4/5
标签：补强论文; 压力容器论文; 开孔论文; 应力论文; 壳体论文; 强度论文; 厚度论文; 《建筑学研究前沿》2017年第31期论文;