浅谈常规压力容器的开孔补强设计

摘要：在压力容器上开孔，将会使压力容器的承压能力降低，在其设计工艺条件下会产生危险，因此压力容器开孔后需进行补强，本文介绍了压力容易开孔补强的两种方法和应注意的问题，并针对实例进行了计算演示。

关键词：压力容器 补强 开孔

随着化工行业的发展，压力容器在化工厂中越来越普遍，其安全性也越来越受到重视。开孔补强设计是压力容器设计中必不可少的一部分，标准和规范中虽然对设计和计算都作了较为详细的规定，但安全、经济、合理的设计仍是摆在我们面前的一个课题。一旦计算有误就会造成容器的破坏，甚至引起工作人员的伤害，或者造成经济上的浪费。按照GB150-1998《钢制压力容器》规定，在压力容器的设计过程中，应采用适当的开孔补强设计。下面就对压力容器的开孔补强进行分析。

一、开孔补强方法的选择

1.压力面积法

压力面积是西德AD规范中采用的开孔补强方法，其开孔率可达0.8，较等面积法为大。当开孔率超出等面积法适用范围时，常采用该法进行补强：压力面积法的意义如下。

式中，AP-为补强有效范围内的压力作用面积；

Aσ-为补强有效范围内的壳体、接管、补强金属的截面积；

P-设计压力；[σ]-材料许用应力

公式（1）是以在壳体有效补强区域中的压力载荷与壳体的承载能力相平衡为基础的，即压力在壳体受压面积上形成的载荷与有效补强范围中的壳体、接管、补强材料的面积所具有的承载能力相平衡。由式（1）的变形得出式（1a）：

式中左端项即压力在壳体受压面积上形成的载荷。式中右端项为材料所具有的承载能力材料的承载能力，应大于压力引起的载荷，所以使用不等号相联接。

右端项中 是由于采用“中径”公式的缘故。

2.等面积补强法

等面积法是以拉伸的开孔大平板为计算模型的。但随着壳体开孔直径增大，开孔边缘不仅存在很大的薄膜应力，而且还产生很高的弯曲应力，故该方法不能相适应。

补强计算时，在有效补强范围内的所有多余面积（即有效厚度提供的面积扣除壳体或接管本身强度所需的面积）均可作为补强面积。在应用等面积补强中，需注意到以下两点：

2.1必须限制开孔直径与壳体直径d/D之比。

在GB150-1998中规定：当圆筒直径不超过1500mm时，d/D≤1/2；当圆筒直径超过1500mm时，d/D≤1/3；凸形封头或球壳上d/D≤1/2。这是由于等面积法的计算原理是基于大平板的开孔问题出发的，当d/D较小时，开孔附近的壳体近似的以大平板问题考虑，不致引起很大的误差，当d/D较大时，由于壳体曲率的影响，在开孔边缘引起附加的弯曲力矩等，使边缘的应力状态恶化，这种附加的弯矩对孔边应力会产生很大的影响，所以基于平板开孔问题的等面积法就不能适应。

2.2等面积法从其计算意义上讲，未计及开孔边缘的应力集中问题，是仅就开孔截面的平均应力―整个截面的一次应力强度进行考虑的，对开孔局部高应力部位的安定问题未予校核。尤其是圆筒形壳体上开纵向长圆形（椭圆）孔的情况下，当长短轴之比较大时，在长轴顶点处，可能产生很高的局部应力，极易发生不安定的问题，而这在等面积补强计算方法中是未能体现的，所以等面积补强方法通常仅适用于长短轴之比≤2的开孔情况，对于长短轴之比>2的情况，孔边局部高应力部位必须辅以安定性校核，对具有疲劳破坏的情况，则尚应考虑疲劳强度问题。

二、开孔补强的设计计算

在压力容器开孔补强的具体设计中，除应考虑选择补强方法、结构及形式外，还应计算A1+A2+A3≥A，若需要另补强，假设在有效补强范围内增加A4后可使：A4+A1+A2+A3≥A

式中，A―壳体因开孔削弱需补强的面积；A1―壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积；A2―接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积；A3―在补强区内焊缝金属的截面积。

以此判定开孔是否需补强，同时开孔尺寸及补强材料性能等还要满足相应标准中所规定的要求。

三、设计中应注意的问题

1.接管伸出长度要足够

在设备制造过程中，通常是先将法兰与接管焊好后再进行接管、补强圈与壳体的焊接。为了保证补强圈在接管与壳体的角焊缝处能很好的贴合，通常要将此焊缝打磨至与壳体外表面齐平。如果接管伸出长度过短的话，给焊缝的打磨和补强圈的焊接都会带来困难，甚至无法进行。

2.公称直径小于50的补强圈外径确定

当设计压力大于2.5 MPa时，即使开口的公称直径小于或等于80，也必须进行开孔补强计算。

当计算结果显示需要另行补强时，可考虑增加接管壁厚或加补强圈。补强圈标准（JB/T 4736-2002）上的补强圈规格最小为DN50，也就是说公称直径小于50的开口，其补强圈是一个非标准的补强圈。我们可以参考标准补强圈来进行设计，其结构形式和制造检验要求按标准，设计者只确定补强圈的外径。公称直径小于50的开口由于其开孔直径小，计算所需的补强圈外径可能非常小，但不能按这个计算值来确定补强圈的外径。因为补强圈上有一个用来检漏的螺孔，其大小为M10；另一方面焊接坡口也要占据一定的空间位置。因此，为满足上述要求，补强圈的外径最好不要小于130mm。

四、结语

开孔补强设计是压力容器设计中非常重要的组成部分，是保证容器安全操作的重要因素，因此我们要更加仔细认真的对待，做到设计准确、制造安全、使用可靠。综上所述。在压力容器设计中，应根据压力容器的工况，即容器开孔的大小，封头的具体形状及容器具体工况，来采用具体的补强方法和具体的补强措施。

参考文献

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