压力容器的选材及开孔补强

李亚玮

(阜阳安固锅炉压力容器制造有限公司 安徽 阜阳 236000)

在压力容器的设计过程中，我们首先要考虑的问题就是选材。只要选定了材料，我们才能进行设备的强度计算和结构设计。材料选择的合适与否在很大程度上决定了设备的成本和使用寿命。为了满足工艺、制造、设备的定期检验及维修等方面的需求，压力容器壳体上通常会进行多个开孔操作。这就导致了开孔部位设备材料的不连续性，从而在开孔部位产生较大的局部应力。因此，我们在进行开孔设计时应选择合适的补强结构，降低开孔处的局部应力，保证设备在开孔处具有较好的质量。

一、压力容器的合理选材

压力容器用钢的基本要求是有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。材料选择主要由使用条件决定，使用条件包括设计温度、设计压力、介质特性和操作特点。在相同的设计条件下，提高材料强度，可以增大许用应力，减薄设备主要受压元件厚度，减轻重量，简化制造、安装和运输，从而降低成本，提高综合经济性。对于大型压力容器设备，采用高强度材料的效果尤为显著。但是，在追求强度的同时也要保证材料具有足够的韧性。由于原材料和制造等方面的原因，压力容器用钢常带有各种各样的缺陷，如裂纹、气孔和夹渣等。研究表明，并不是所有缺陷都会危及压力容器的安全运行，只要当缺陷尺寸达到某一临界尺寸时，才会发生快速扩展而导致设备破坏。临界尺寸与材料韧性密切相关，它随着材料韧性的提高而增大。材料韧性越好，临界尺寸越大，设备对缺陷就越不敏感；反之，在压力作用下，很小的缺陷就有可能快速扩展而导致设备破坏。因此，材料韧性也是压力容器选材的一个重要指标。材料强度越高，韧性越差。在选择材料时，应特别注意材料强度和韧性的合理匹配，避免设备在使用过程中因材料韧性不足而发生破坏。除材料强度外，温度也是影响材料韧性的一个重要因素。低温工况下，碳素钢和低合金钢的韧性会随着温度的降低而降低，当温度低于韧脆性转变温度时，材料会发生脆性断裂，从而导致设备破坏。所以，在低温工况下，我们就不能采用一般的Q345R低合金钢板，而是采用16MnDR和09MnNiDR等低温专用钢板，并对母材和焊缝进行设计温度下的冲击试验，来验证材料是否有足够的低温韧性。相反，设计温度高于400℃(特别是高于475℃)至600℃的压力容器，通常选用15CrMoR等中温抗氢钢板，保证材料有较高的许用应力和抗氢能力。不锈钢在低温、高温条件下都具有较高的强度和韧性。但是，由于不锈钢的许用应力较低，相同设计条件下，设备厚度会相对增加，从而导致设备重量增加；另外，不锈钢的价格远远高于碳钢，从而导致设备成本较高。同时我们也要考虑材料和介质的相容性。例如，奥氏体不锈钢虽具有很好的耐腐蚀性能，但是在氯化物溶液中，很容易产生晶间腐蚀，从而导致设备破坏。当设备压力较高，对耐腐蚀性能要求又高时，我们通常采用复合钢板。从而达到既能提高材料的许用应力和腐蚀性能，又能降低设备成本的效果。但是复合板设备的加工相对一般设备要麻烦的多，特别是焊接方面。综上所述，在进行压力容器选材时，我们应综合考虑容器的使用条件、材料和介质的相容性、加工性能、材料性能、材料使用经验和综合经济性，并严格按照相关标准规范，合理选材。

二、压力容器的开孔补强

在设备的强度计算过程中，我们一般会根据设备的设计参数计算出壳体所需要的最小厚度，并结合设备刚性的需要，指定设备壳体的厚度。在保证设备主体强度的前提下，结合开孔的大小、数量、位置以及开孔间距，选择出适当的开孔补强计算方法和补强结构。对于一般压力和温度不高、腐蚀余量较小，筒体直径不大，且开孔直径较小的设备，我们只需按照GB/T150.3-2011中6.1.3的规定，选择相应厚度的接管即可免除开孔补强计算。相反，当设备无法按照GB/T150.3-2011中6.1.3免除开孔补强计算时，我们就要对设备的开孔补强进行设计。目前我们常用的补强方法有整体补强和局部补强两种。顾名思义，整体补强就是通过增加设备壳体厚度的方法，来增大接管有效补强范围内壳体多余的补强面积，从而实现补强的一种方法。这种方法会使设备的结构简单、受力较好，对于一般直径较小、压力不高的设备比较实用。但是随着设计压力的提高，设备直径的增大，这种补强方法的弊端就显现出来。一方面，它会大大增加设备的材料成本，特别是不锈钢设备；另一方面，随着壳体厚度的增加，设备的加工性能和焊接性能相应降低。这时我们就应该考虑采用局部补强。局部补强主要使用补强圈、厚壁接管和整体锻件三种补强方式，如下图所示：

(一)补强圈补强

补强圈材料应与壳体材料相同或相近。这种方法取材方便、成本较低，且具有丰富的使用经验，因此使用最多。但是补强圈与壳体之间存在一层静止气隙，给压力容器的整体传热效果造成严重影响，甚至会在补强圈与壳体之间形成温差和热膨胀差，最终导致温差应力出现而严重影响压力容器开孔补强设计的实际效果。这种补强结构一般用于中低压容器中，对于高压、低温、极度高度危害以及强渗透性介质的场合杜绝使用。负压工况时，有时会出现内漏现象，难以发现，因此，当设备承受外压时，应尽量避免使用这种补强结构。

(二)厚壁接管补强

该方法主要通过增加有效补强范围内的接管多余金属面积来实现补强。一般情况下可以使用无缝钢管，当无缝钢管厚度受限无法满足需求时，可以使用锻管。采用锻管时，我们应精确计算锻管的有效补强长度，确保锻管补强段的实际外伸长度和内伸长度满足有效补强长度的需要。这种补强结构一般用于低温、高压和介质毒性程度为极度、高度危害场合。

(三)整体锻件补强

该补强结构将角焊缝转变成对接缝，避免了开孔处的结构突变，有效的降低了集中应力，且具有良好的焊接性能。但是整体锻件的成本较高，一般仅在整体补强受限和较大开孔场合使用。

综上所述，在压力容器设计过程中，选材和开孔补强设计是非常重要的两个环节。设计人员应根据实际需求，有针对性的选择最佳材料和补强形式。实现压力容器设备设计的安全性、合理性及经济性。