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摘要：在压力容器设计过程中，满足强度的开孔补强设计及计算对压力容器的安全、平稳运行至关重要。基于此，笔者展开以下探讨以供参考。
关键词：化工压力容器；开孔补强
1.化工压力容器开孔补强设计
在化工压力容器开孔补强设计过程中，最主要的是截面的选取，通过对补强面积的确定和计算，求得开孔所需补强面积，再选择适当的补强方式。补强圈在化工压力容器补强设计中得到较多应用，而厚壁接管补强在其设计制造中显现出的优势使其得到广泛的应用。
2.开孔补强设计在压力容器设计中的运用
（1）补强圈补强设计
在设备中，适当的补强面积可以使开孔设备拥有更加强大的承载力，适当降低开口边沿的应力峰值。采用补强圈结构进行补强时，必须符合下面的几项规定：
1）低合金钢的标准抗拉强度下限值＜540MPa；
2）补强圈厚度小于或等于1.5倍壳体壁厚；
3）壳体名义厚度≤38mm。
此外，对于盛装毒性为极度危害与高度危害介质的压力容器，也不宜采用。由于补强圈与壳体采用搭接连接方式，搭接结构处角焊缝会引起较大的局部应力。补强圈与壳体金属间的热膨胀差会使补强局部区域产生热应力，因此，补强圈补强结构不能用于承受疲劳载荷的压力容器。
（2）厚壁接管补强设计
针对容器壁的小孔径开孔补强设计，厚壁接管补强法是较为常用的方法，选用厚壁接管补强时，应保证接管内径满足工艺要求。厚壁接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容易检验，补强效果较好，厚壁接管补强结构的加厚部分处于最大应力区域内，从而可以有效降低开孔边的应力集中系数。厚壁接管补强可选择无缝钢管，也可选用锻件加工制造。
厚壁管补强与壳体的连接方式有内齐平式、内插入式和外安放式三种类型，见图1，按等面积法原则，内插入式能适当减小补强厚壁管壁厚。
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图1 厚壁补强管安装类型
厚壁接管补强时，必须保证焊缝全熔透，且并不能无限增加接管壁厚来满足补强不足的要求，根据长期的设计、实践经验，当接管壁厚超过1.75倍壳体厚度后，再增加接管厚度基本上对开孔补强作用不大，此时，应采用增加接管壁厚和壳体厚度相结合的方法来进行开孔补强设计计算。
（3）整体锻件补强设计
在针对压力容器补强设计时，整体锻件补强设计方法的应用可以降低压力容器外壳的应力值，不会有新应力出现而对容器的整体性能带来不利影响，可以实现最大化的补强效果。但在实际整体锻件补强设计应用过程中，要求壳体过渡时要保持平缓度，并要严格控制过渡中某一点应力过于集中。而且在整体锻件补强设计过程中，过渡焊缝位置要求较高，这也导致施工难度较高，在具体操作过程中任何一个条件满足不了要求，必然会影响到压力容器补强效果。
以上三种方法国家标准GB/T150《压力容器》上面的是等面积法补强法，它有个适用范围：1）当圆筒内径≤1500时，开孔最大直径d≤Di，且d≤520mm；2）凸形封头或球壳开孔的最大允许直径d≤Di/2。3）壳体名义厚度≤38mm。实际工作中，常碰到超过这些情况之一的时候，比如筒体开长条视镜孔时。当遇到这种情况，GB/T150上介绍了分析法，分析法计算途径分两种，其一：等效应力校核；其二：补强结构尺寸设计，不过这两种方法都比较繁琐，要试算。下面笔者介绍一种利用SOLIDWORKS工具的有限元分析法。SOLIDWORKS原本是一个以画三维图建模为主要作用的软件，不过它可以做有限元应力分析。TSG 21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》中3.1.5说：压力容器的设计可以采用规则设计方法或者分析设计方法。故采用有限元分析法做设计计算是符合安全技术规范的。
举例说明，有一压力容器，参数如下：
筒体内径直径：d = 300mm，
筒体长度：L= 280mm，
筒体厚度：4mm；
筒体设计压力：0.38MPa，
筒体设计温度：150℃；
视镜底座长度：216mm，
视镜底座宽度：96mm，
视镜底座厚度：38mm；
视镜底座材质：S31603（板材）；
视镜如下图：
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开孔按长边计算是通不过，开孔太大。补强计算，因开孔216＞Di/2=150，已超出补强圈设计范围，故开孔补强只能采用分析法。
下图是用SOLIDWORKS工具按有限元分析法得出的结果（过程略）：
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此图很直观地反映了设备开孔受压后应力集中情况和设备变形情况，可看出实际最大应力少于屈服应力（材料屈服力是根据实际材料填写的），即开孔是安全的。
此方法简单直观形象，免去了根据GB/T150上面繁琐的计算。笔者用此方法计算的容器，在实际使用过程中是安全的，压力容器监检人员也是认可的。故笔者认为用此方法计算超范围的开孔补强是较优的选择。不然，如常规，按长边计算开孔直径，那此设备肯定是需要补强的。按有限元分析计算，其实开孔是安全的。这就为制造节约了成本，提高了经济效益。
结语：
在化工压力容器进行设计时，开孔补强设计是非常重要的内容，其合理的开孔补强计算可以有效保证压力容器的结构安全性和降低投资成本。因此，化工压力容器设计需要在充分讨论和分析实际操作条件的前提下，进行合理开孔补强设计方案和计算，为化工压力容器的安全、稳定性能提供技术保证。
参考文献：
[1]杨树临.化工压力容器选材与补强设计分析[ [J].2018（17）
[2]朱洲翔.开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J]. 门窗，2018（19）
[3]章绵培.化工压力容器选材与补强设计分析[J].化工管理，2015（6）
[4]中国国家标准化管理委员会.压力容器.GB/T150.1~150.4-2011