摘要：在对压力容器进行设计时，开孔补强设计工作极为重要，这一环节的工作质量将会对整个容器设计质量产生直接性的影响。文章首先对开孔补强设计的重要性进行了阐述说明，之后着重对其在压力容器设计中的应用及具体的设计方式进行了分析研究，以此帮助有效提升整个容器设计的质量水准。
关键词：开孔补强设计；补强圈补强设计；整体锻件补强设计；厚壁接管补强设计 文献标识码：A
中图分类号：TQ050 文章编号：1009-2374（2015）09-0030-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0770
压力容器在其设计中，为了将自身的使用功能进行最大化的发挥，需进行适当的开孔处理。但是不可否认的是，开孔处理将会对容器造成一定的损伤，对其牢固度将会形成一定的不利影响，针对此类问题的出现，相应的补强设计便是对其所带来的不利影响进行较为科学妥善的处理。
1 开孔补强设计的重要性
在进行压力容器设计时，开孔处理操作极为常见。在通过状况之下，开孔处理主要是为后期的接管安装提供便利，对容器的功能性需求予以满足。有时为了对整个压力容器进行全面维修、养护、调试，也需进行开孔处理。而开孔处理会对整个容器的内部结构及其使用性能产生一定的不利影响，通常会使得容器整体的抗压性遭到削弱。此种情况出现的主要原因为：在开孔处理后，压力容器内部存在的应力出现了断层差异。而在开孔处进行接管，也会使得容器内部出现受力不均的状况。另外大部分的压力容器应用于一些温度、压力均高的环境之下，应力、受力不均问题更为突出，再加上受到一些容器材料等多种因素的影响，整个容器性能将会受到极大的损害。在容器的应用工作中，其工作质量、效率也较差。所以，在对相关设计规范内容充分理解、遵守的前提之下，对容器进行开孔补强设计极为重要。
2 开孔补强设计在压力容器设计中的应用
2.1 补强圈补强设计的应用
在开孔补强处理中，局部补强方式应用较多，其中补强圈补强设计应用范围较广。补强圈补强主要是指在压力容器壁上进行补强板的焊接处理，从而帮助进一步增强整个容器板的金属厚度，促使其开孔边缘强度得以增强，最终达到补强目的。
在补强圈补强方式应用中，有两点问题需着重关注：第一，补强板的设计厚度需严格要求。一般情况下，补强板的厚度值与整个容器的开孔名义厚度值相比，应不超过其1.5倍。大量的实践结果表明，如果补强板的厚度值大于开孔名义厚度的1.5倍，那么在进行焊接处理时，极易因为厚度过大而增大器焊接角，最终导致出现不连续应力过大的问题。另外，在进行补强圈补强设计时，补强板材料需具有极强的塑性、延伸性，且其钢材的屈服强度在常温环境下应保持在400MPa范围内。第二，在一些情况下不宜运用此种补强方式。相关容器的使用环境为腐蚀性、氧化性较强及温差较大的状态下。另外，在载荷变化量较大的情况之下补强圈方式也不应进行应用。对于一些使用标准较高、局部补强不宜运用的补强处理，应对其采取整体补强方式。
2.2 整体锻件补强设计的应用
整体锻件补强设计的应用优点主要为：能够使得整个压力容器的外壳应力值减到最小，几乎可以说是不会出现新应力点，从而获取到最大化的补强效果。但是，此种补强方式在其应用中，其客观因素限制较多。其中较为突出的一点便是，对于壳体的过渡需确保其平缓度。对于过渡中存在着的某一点过多应力需严格预防控制。大量的实践结果表明，整体补强方式的整体效果较好，但是由于其对客观因素存在诸多要求，因此想要的施工操作难度较大，投入成本较高，相应的施工技术要求标准也大幅度提升。如果存在任何一项客观条件未达到相应标准的情况，则会对整个补强设计效果产生极为不利的影响。
2.3 厚壁接管补强设计的应用
厚壁接管补强技术也是极为常见的一种补强技术。在此种补强技术的设计中，需着重关注的一点便是对其材料的科学选取。通常状况之下，厚壁接管补强材料需与容器的壳体材料较为一致或是相似度较高。如此一来，才能够确保整个金属性能具有极佳的协调性。如果在设计中存在着壳体材料与补强材料不相同的情况，应分类型对其进行妥善处理。如果补强材料的应力较小，那么可将补强面积进行科学合理的增大调整处理，从而有效解决其应力不足的问题。而如果是补强材料的应力较大，则应将补强面积进行减小化处理，从而确保其应力值较为平衡。在将容器进行开孔处理后，其边缘处的局部应力将会增大，依照其分布规律，在距开孔边缘较远处进行补强处理，则能够使得整个容器应力恢复至正常范围内。为了最大化将补强材料性能进行发挥，其焊接位置应选取一些高应力处，也就是指有效补强区域。
在对厚度接管进行补强处理时，如果其相关材料强度值高于壳体的接管材料，对于整个容器的性能将会带来极为不利的直接性影响。此种情况出现的主要原因可能为：接管的强度值越高，其焊接操作要求就越为严格，一旦在焊接中出现任何问题，则极易使得工作效率及质量遭受较大的不利影响，整个补强结构受到破坏。另外，在接管材料的强度值要小于壳体材料时，为了将其补强效果进行提升，需对接管壁厚进行加大处理，对整个接管的流通面积进行科学合理的控制，将焊接操作的难度值尽可能地降到最低，进一步加强补强成效。在厚壁补强设计中，可运用无缝钢管、锻件加工的方式将加工处理误差值减到最小。无缝钢管及锻件加工的各自应用状况分别为：设计压力低，补强壁厚小及设计压力高，补强壁厚大。
3 开孔补强具体设计
3.1 等面积补强设计法
在对压力容器进行对齐补强处理时，通常会采用此种补强设计方式，其应用的基本原理为：在一个有效补强区域中补强材料的横截面积需不小于开孔损失面积。如此一来，便能够使得容器壳体结构的屈服强度得以维持平衡。相关理论模型其实可以被看作是一个面积不受限制的平板开孔，且不会出现因过多弯曲而造成的大偏差问题。小直径的开孔其安全性较强。关于文中所提到的有效补强区域，拿图1作为例子便是指由WXYZ四点构成的矩形。
图1 等面积补强设计法示意图
3.2 分析设计法
分析设计法主要是指GB150.3-2011中提到的一种新型补强设计方式，其计算方式主要分为两种。第一种，对等效应力进行校对核算处理，之后计算出开孔处的等效薄膜应力强度S1及总应力S2，对其进行科学评定处理。第二种，补强结构尺寸设计，此种设计方式主要是指对GB150.3-2011中的设计规范原则严格遵循分析的基础上，提出一个最小的设计尺寸。
分析设计法的模型是将接管与壳体假定为一个整体性的结构，所以在其应用中，需对焊接头的焊透性及其质量进行全面确保。此种方式的设计准则的提出确定主要是将塑性极限、安定分析作为基础，全面确保在一次加载时能够具备充分的塑性承载及反复加载力，以此为开孔操作的安全性提供保障。在分析设计法的应用中，疲劳及外压设计不宜应用，主要的应用范围为圆柱壳的径向开孔补强，而且对于接管与壳体的厚壁比值有一定的要求，确保其始终保持在0.5～2.0范围内。
3.3 不另行补强
在不另行补强应用中，需满足以下六个要求：第一，整个设计压力不大于2.5MPa。第二，两个彼此相邻的开孔器中心间距至少应等于两个开孔的直径相加值。而对于一些3个及更多个相邻开孔，其两孔中心间隙值至少应等于两孔直径和的2.5倍。第三，接管外径值应不大于89mm。第四，接管壁厚的腐蚀裕量值应为1mm，如果需对此值进行加大处理，相应的需将壁厚值进行增加处理。第五，开孔位置不应处于A、B两类焊接接头之上。第六，开孔处理中应用到的钢材材料其抗拉度不小于540MPa时，接管、壳体之间的连接应运用全焊透的结构。除去以上所述的不另行补强状况，还有一种情况下，也实行不另行补强。当整个压力容器的有效壳体厚度不小于其计算厚度值的2倍，壳体的开孔补强也可不必进行计算。此结论的提出主要是通过运用等面积补强法进行推理导出的，其应用范围为一些要求标准较低的换热器设计中。在此种情况下，为了对整个设备的刚性进行确保，对于其壳体最低厚度值提出了一定的要求，有时厚度值将会比相应的计算值大出一倍多。
4 结语
在压力容器设计中，开孔补强在其中占据着极为重要且关键性的作用，为了尽可能地避免因开孔处理带给整个容器壁强度的损害及过大的局部应力集中问题，需对补强设计问题着重关注，将压力容器应用中的安全隐患彻底消除，进一步增强整个容器的应用安全性。通过对各种开孔补强设计应用及具体的补强设计方法进行分析研究，能够有效避免容器遭受过大的不必要损害，为其应用质量及性能提供极为全面的保障。
参考文献
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[2] 周金卫.开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J].化工管理，2014，（23）.
[3] 李海平.浅谈压力容器的开孔补强设计[J].中国化工贸易，2013，（6）.
作者简介：刘英（1976-），女，福建松溪人，江苏中能硅业科技发展有限公司工程师，研究方向：压力容器设计。
（责任编辑：周 琼）