摘要：設備開孔是壓力容器設計及制造過程中一個重要環節，它有助于擴展壓力容器的功能性，同時也為開孔設備的維護工作提供便利。然而不正確的開孔設計，很容易導致設備整體結構受力情況發生轉變，使設備在運行中存在較大的安全隱患，所以改善開孔補強設計水平，消除安全隱患非常必要。
關鍵詞：壓力容器;開孔補強設計;應用
一、開孔補強設計
壓力容器在開孔作業后，其自身受壓的平衡性、受壓面積以及開孔邊緣的應力效應都會存在一定程度上的破壞，進而導致壓力容器強度降低，無法達到使用要求。所以在壓力容器設計中，需要通過合理的開孔補強措施來保證壓力的平衡性。我國對于壓力容器開孔作業制定了一系列的規范要求，并對錐殼、圓筒以及凸形封頭的開孔直徑做出明確規定，以增強容器強度。
二、開孔補強的限制條件和設計方法
1、限制條件
在壓力容器開孔作業中，對于開孔直徑、形狀均有著明確的限制：
1）在圓筒開孔作業時，如果圓筒的內徑在1500mm以下，那么其開孔直徑不得大于0.5D與520mm中的較小值;如果圓筒的內徑尺寸大于1500mm，則開孔直徑不得大于0.33D與1000mm中的較小值。
2）球狀外殼的開孔直徑不得超過0.5D。
3）錐形封頭的開孔直徑要在0.33D以內。
4）橢圓形、長圓形以及圓形結構在進行開孔作業時，其長短軸的比例需控制在2.0以內。
2、設計方法
開孔補強的設計方法主要分為兩種，局部補強和整體補強。
1）局部補強
局部補強具有一定的針對性，是在固定位置上實施開孔作業，且補強的面積相對較小。該種設計方式主要針對的是鋼材屈服強度不超過540MPa、補強厚度在殼厚度的1.5倍以下、容器殼厚度在38mm以內的材料。其優勢為成本低廉，操作便捷，補強時間短，適用范圍較廣。不過在使用局部補強時，需要注意的內容有：開孔補強位置在焊縫最大應力區域內，補強作業前需要對焊縫進行磨平處理和無損檢測;在開孔作業時很容易存在誤差，導致補強件與結構表面的融合效率較差，很容易因為溫差變化導致位置出現裂縫，影響容器質量。
2）整體補強
整體補強通常被應用在開孔較大的容器中，補強面積相對較大，但操作卻較為簡單。另外，在采用整體補強時，對其技術要求相對較高，尤其是對過渡區域實行整體補強時，一定要注重其平穩性，避免應力集中在一側。整體補強設計主要適用于壓力高于4MPa、溫度350℃以上，且承載高危害性物品、疲勞載荷較大的壓力容器上。其優勢在于：補強件位于開孔應力較大的位置上，能夠提升容器的抗疲勞性能;其次，使用對接焊縫，提高了焊接質量。不過在使用整體補強時，需要的補強件尺寸相對較大，這在一定程度上增加了制造和檢驗難度，造成了較大的成本損耗。
三、壓力容器設計中開孔補強設計的應用
1、補強圈設計的應用
補強圈補強方式的應用主要是為了強化局部補強作業的效果。在實際應用中，要先將補強板焊接在容器壁上，充分利用容器壁的金屬厚度實現強度的提升。而在補強圈焊接時，應在外部實施作業，這樣既可以降低施工難度，也可以增強壓力容器的抗壓能力和耐久性。在應用補強圈設計時，需要注意的內容主要有：
首先，嚴格控制補強板厚度。在補強板選擇及其厚度確定上，設計人員需要嚴格按照容器規格、開孔要求以及補強特點予以確定。通常情況，補強板厚度應控制在容器開孔厚度的1.5倍左右，如果超出這一范圍，很容易在焊接施工中產生不必要的間接應力，破壞連接效果。在補強板材料的選擇上，一方面要對其延展性和可塑性予以充分考慮，另一方面還需對其強度實行把控，保證其低于400MPa。其次，結合補強圈的使用范圍合理選擇補強圈技術。補強圈不適合應用在高氧化性和腐蝕性的壓力容器中;不適用于溫差較大的壓力容器中;不適用于承受較大荷載的壓力容器中。所以在設計時，應結合壓力容器所處環境，合理選擇補強方式。在應用補強圈的過程中，應合理把控焊接開孔峰值應力，確保其在統一標準范圍內。在對低合金高強度鋼容器進行開孔補強操作時，主要以局部補強方式為主，當局部補強達不到既定要求后，才可更換成整體補強完成作業。
2、厚壁接管補強技術的應用
該技術在使用過程中對于厚壁接管材料的要求相對較高，且影響因素眾多，如壓力容器運行環境、殼體材料性能等，很容易導致厚壁接管材料出現質量問題。所以在實際設計中，必須要對壓力容器的運行環境以及殼體材料性能進行準確掌握，并結合其具體要求選擇合適的補強材料。另外，在開孔補強環節，如果殼體材料應力高于補強材料，則可以通過增加補強面積的方式來強化應力效果;如果殼體材料應力小于補強材料，則需要縮小補強面積，加強應力的平衡性。在實際操作中發現，當將開孔處理應用于容器中時，邊緣的局部應力會出現持續上升的現象，此時，就因根據局部應力分布特點，在遠離開孔邊緣的位置實施補強操作。
為了充分發揮補強材料的性能，提高補強質量，可以將焊接位置設置在開孔高應力范圍內。而補強應力的計算只需要將補強面積剔除即可。在使用厚壁接管補強技術時，補強板材質高于殼體接管材料材質，會在一定程度上增大焊接作業的難度，導致壓力容器性能受損，進而影響壓力容器使用過程中功效的發揮。在選擇接管材料時，應以殼體本身材料性質作為參照標準，如果發現殼體材料強度在接管材料之上，則可以通過增加接管厚度的方式來實現流通面積的有效控制，提升焊接作業的效率，進而保證壓力容器的安全使用。另外，鍛件加工和無縫接管可以應用于厚壁接管補強中，從而減少誤差的發生，此時如果設計壓力較小，且補強過程中對壁厚的要求較低，則可以增加對無縫鋼管的應用。
3、整體鍛件補強設計的應用
整體鍛件補強技術是壓力容器設計中較為重要的技術類型。在壓力容器開孔操作中，很容易導致壓力容器強度下降，平衡性失衡，這時平衡殼體的應力會使得邊緣整體鍛件出現滑移現象，降低壓力容器的運行安全性。但是采用整體鍛件補強技術后，能夠有效避免上述現象的發生，保證壓力容器的強度和應力的平衡性。值得注意的是，在應用該技術過程中，必須先磨合殼體和鍛件，磨合過程相對復雜，要想提升磨合效果并減少局部應力，在應用鍛件補強的過程中，焊接難度就會有所增加。因此，整體鍛件補強技術的設計方式一般被應用在特殊壓力容器運行環境中。
從接管、封頭焊接位置以及接管壁厚的角度進行分析，其最低的補強應力均存在整體鍛件中，尤其是靠近封頭位置上，存在著較為嚴重的集中應力情況。如果只是沿著封頭壁厚的方向開展補強作業，是無法有效強化補強效果，增大壓力容器強度的。由此可以分析出，在采用厚壁接管法的過程中，較低強度的產生位置主要集中在接管頂端位置上，該位置存在著較大的應力值，所以在補強作業時，可以采用內伸管的方式增強應力平衡性。內伸管的結構形式將有利于接管頂部應力的減小，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。與補強圈補強技術相比，內伸管補強技術在應用過程中更容易產生較大的應力值變化，從而強化補強效果。
結束語
綜上所述，本文主要針對壓力容器設計中開孔補強設計的應用問題進行了簡單論述，通過上文論述可以看出，開孔補強設計的應用是影響壓力容器設計成效的主要原因，所以在實際應用中，需根據具體的補強要求以及壓力容器的使用環境，采取合理的補強方法，以此減少開孔設計對壓力容器造成的不利影響，確保壓力容器的正常運作。
參考文獻
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