详解压力容器中开孔补强的一般规定及限制要求

顾建美

[摘 要]压力容器为一种具有承载压力的密闭设备，因为其特殊工艺，不可避免的需要在容器上进行开孔，设备上开孔必定会对设备的整体强度进行削弱，并且还会对开孔的边缘产生一定的应力集中。所以进行开孔补强成为了压力容器设计的一个重要手段，补强有哪些规定以及限制，本文将着重进行解析。

[关键词]压力容器；开孔补强；等面积法；限制因素

中图分类号：TH49 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）31-0275-01

引言

压力容器上的开孔不仅影响结构强度，还会因为接管有着各种载荷所产生的应力、温度应力，以及容器材质和制造缺陷等因素的综合作用，往往是造成容器破坏的根源，所要解决这些问题，就必须了解开孔补强中的规定以及要求。

1.压力容器补强结构解析与一般规定

压力容器的补强结构可分为：补强圈搭焊结构和整体补强结构。

1.1 补强圈搭焊结构补强

当容器采用补强圈搭焊结构时，其应当符合的基本的条件为，容器壳体名义厚度不得大于38mm；补强圈的材料厚度不得大于1.5倍容器壳体的厚度尺寸；使用低合金钢的标准抗拉强度应当小于540MPa。若条件许可，优先举荐使用厚壁管代替补强圈进行补强。

当容器为低温压力容器的时候，补强接管应当尽可能采用后壁管进行补强，焊接焊缝应当使用全焊透结构，且焊缝圆滑过渡；带补强板的接管与容器器壁的连接接头应当符合相当于HG/T20583中的G28、G29、G30、G33的要求。补强板采用与器壁相同的材料，带补强板的结构不得用于容器器壁厚度大于30mm的场合，也不适用于设计温度低于-40°的场合。带补强圈的接管与壳体的连接，以及补强圈与壳体搭接的角焊接头壳采用GB150中所示结构进行，且接管端部应与容器表面齐平，端部内角应当打磨成R不小于3mm的圆角。

補强圈虽然结构简单，易于加工，但是补强效果较差，补强圈与壳体之间的间隙不可避免，同时虽然补强圈上设有排气孔，但是补强圈结构在最终的热处理后应力缺很复杂。

1.2 整体补强结构补强

当具有下列条件时，应当采用整体补强或者局部整体补强。

①高强度钢（标准抗拉强度大于540MPa）和铬钼钢（如15CrMoR、14Cr1MoR、12Cr2Mo1R）制造的压力容器；

②补强圈的厚度大于1.5倍容器壁厚度；

③设计压力大于或者等于4MPa的第三类容器；

④容器的壳体壁厚大于或者等于38mm；

⑤疲劳压力容器或者容器盛装介质为毒性的高位介质容器。

2.等面积补强法与压力面积法的异同

国内根据国家标准GB150压力容器中压力容器的开孔补强，从设计方法分区可以分为，等面积法，极限分析法，安定性分析法。对比根据西德受压容器和西德蒸汽锅炉技术规程中采用的压力面积法，压力面积法可用于开孔率达0.8的大开孔结构的情况，其计算方式为：

（）P≤[σ]

式中：

AP——补强范围内的压力作用面积；

AQ——补强范围内的壳体、接管、补强金属的面积；

P——容器的设计压力；

[σ]——材料的许用应力。

等效面积法的含义是，补强壳体的平均强度，用于开孔等面积的外加金属来补偿削弱的壳壁强度，受压面积法是以受压面积和承载面积的平衡为基础的补偿方法。

3.等面积补强中接管中面直径与壳体圆筒中面积及圆孔长短轴之比限制因素

在使用等面积补强法时，壳体开孔补强时首先应当对开孔的应力进行应力分析，下面从弹力学的大平板上的开小孔分析。

在大平板上开小圆孔，单向拉伸时，应力集中系数取3，双向拉力，应力集中系数取2.5，大平板上开孔问题，椭圆孔的边缘应力集中系数比圆孔大，特别是长轴垂直于应力方向时，当长半轴与短半轴的比值越大时，其应力集中系数就越大；圆柱上开小圆孔，当将圆柱展平，小圆孔的变形不会很大，任然近似圆孔，若是开大孔，展开后就将近似为椭圆孔，应力集中系数将被倍数放大。尤其当接管中面直径与圆筒中面积之比较大时，因为壳体曲率影响，开孔边缘将引起附加的弯矩，此时更是加大了应力的数值。

4.等效面积法对压力容器壳体上开孔的限制

4.1 压力容器壳体圆筒内径Di≤1500mm，此时开孔的最大直径di≤Di，且di≤520mm；当壳体圆筒内径Di>1500mm，此时开孔的最大直径di≤Di，且di≤1000mm。

4.2 对于凸形封头或者球壳开孔的最大允许直径di≤Di。

4.3 对于锥形封头开孔的最大直径di≤Di

5、结束语

压力容器是一种用途极为广泛的设备，其主要用于工业、军工、民用等行业，其中在石油化工的使用中最为广泛。而开孔补强的直接影响到压力容器的结构强度，进而直接关系到压力容器的运行安全，了解分析开孔补强的一般要求和限制条件，设计好压力容器的必学知识面，也是对压力容器的的发展的一种宝贵设计经验。

参考文献

[1] GB150-2011《压力容器》.

[2] TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》.

[3] 杨青莱压力容器开孔补强分析[J]机械出版社2009.23.

[4] 曹盟军压力容器开孔计算与各种补强法比较[J]机械出版社2015.12.