斯派莎克工程（中国）有限公司 上海市 201114
摘要：材料的选择和补强设计，直接影响压力容器的质量，在设计过程中占据重要的作用。如果材料选择不合理，设计方面不完善，都会导致结构强度及补强设计等出现各种问题，使化工压力容器的稳定运行受到制约。基于此，对压力容器的选材要领进行了详细的论述，并对补强设计相关技术问题进行探讨。
关键词：压力容器；选材；补强设计
一、压力容器的选材
1、选材原则
压力容器选材时，需要考虑压力容器的具体使用条件，要考虑可供选择材料的耐腐蚀性、力学性能、抗压性、冷热性能、可焊性、材料来源及价格等因素，而且在同一个工程设计中，压力容器要选择统一的材料。在实际选材时还要遵循经济适用原则。在具体压力容器材料选用时，要求根据国家标准规定要求进行，综合考虑容器工作压力、温度、介质特性及使用环境等因素，并与材料自身特性相结合，通过具体的分析，选择具有较强防腐效果的材料，确保压力容器使用的安全。
2、主体材料选用
大部分原料为易燃易爆物品，且具有剧毒，对人体和环境威胁较大。因此具体设计压力容器时，需要严格对材料选择进行控制，以保证产品生产过程的安全性。对于以强度为主的普通碳素容器，当其板厚要求在8mm以上时，宜选择普通合金钢，当装置设计以刚度和结构为主时，受压壳体宜采用普通碳素结构钢。对于以强度为主导的装置，材料选择时需要与设计温度、介质特点及设计压力等要求相结合，根据相关的要求精准进行材料选择
3、补强材料的选择
压力容器补强主要以三种方式进行，具体包括补强圈补强、整体壳体加厚补强及厚壁接管补强。在利用补强圈补强设计时，补强材料需要与壳体材料保持一致，当补强材料许用应力小于壳体材料许用应力时，则要求适当增加补强面积。对于补强材料许用应力大于壳体材料许用应力时，则所需补强面积也不得减少。目前在压力容器设计时，基于经济性考虑，整体壳体加厚补强方式在实际压力容器补强设计时应用较少，但对于不符合补强圈补强使用情况的，建议采用厚壁接管补强方式，但在具体应用这种补强方式时，需要将接管厚度与壳体开孔处的厚度比控制在0.5~2。当接管材料与壳体材料不一致的情况下，宜引入强度削弱系数（设计温度下接管材料与壳体材料许用应力的比值）。具体选择补强材料时，还需要参考压力容器的温度、压力、主体材料特性等因素，选择适宜的材料。
4、压力容器选材时的注意事项
压力容器选材时，要求材料在满足具体设计要求和规范的基础上，还需要控制材料的价格和成本，并运用先进的技术手段来检测材料的质量，通过多重实验来保证材料与具体要求相符。另外，还要考查材料生产企业，确保生产厂家具有较好的信誉，能够保证材料的质量，这样才能进一步保障压力容器的稳定性和安全性。
二、开孔补强设计
1、开孔补强方法
我国压力容器设计规范中的开孔补强设计方法主要包括等面积补强法、分析法等。在使用等面积补强法进行补强时，需要有补强材料在离开孔边一定距离范围内予以等面积补偿因开孔被削弱的承载面积，该种补强方法在安全和可靠性方面具有十分重要的价值，并且在使用过程中也非常简单和便利，一般在低压容器开孔补强中常用。极限分析法相对来说也比较常用，但多用于压力容器分析设计中，需要对开孔接管处应力进行正确的分类和组合计算，计算出等效薄膜应力SⅡ和等效总应力SⅣ，再分别对等效应力与许用应力进行比较。分析法用于内压作用下具有径向接管圆筒的开孔补强设计，在应用时需要对分析设计方法有较深入的了解和认识，才能合理运用。开孔补强设计的等面积法和分析设计法均有其自身的适用范围，设计时应按规范要求进行严格限制。
2、开孔补强设计在压力容器设计中的运用
2.1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。
补强圈厚度通常要小于壳体厚度、等于壳体厚度和大于壳体厚度三种选择，最佳的选择是等于壳体厚度，便于备料和对材料的充分利用，减少浪费，特别是对直径小于300mm的标准补强圈来说，满足补强面积要求的厚度通常小于壳体厚度，此时不宜按计算值来选取补强圈厚度。
2.2整体锻件补强设计
整体锻件补强结构是将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接。如果能够灵活应用整体锻件补强法，可以使压力容器开孔接管处的应力集中得到有效的降低，使容器可以保持良好的整体性能，从根本提升补强效果。
整体锻件补强时，补强金属集中于开孔应力最大部位，能最有效地降低应力集中系数，而且可以采用对接焊缝，且使焊缝及热影响区离开最大应力区，因此，整体锻件补强设计的抗疲劳性能好，补强后疲劳寿命能达到无开孔壳体的85%~90%。基于整体锻件补强的结构特点，该补强方式制造成本均高于补强圈补强和厚壁接管补强，因此，整体锻件补强只在重要的压力容器中使用，如核容器，材料服务强度在500MPa以上的容器开孔及受低温、高温或疲劳载荷容器的大直径开孔等。
2.3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。当设计压力较小，同时满足补强要求所需的壁厚不太大时，通常选用无缝钢管，当设计压力较高，同时满足补强要求所需的壁厚较大时，则宜选用锻件来加工制造。
厚壁接管的壁厚根据等面积补强原则进行补强计算，在满足补强要求的厚度适当向上圆整，使厚壁管外径为一整数或符合标准无缝管规格。
厚壁管补强与壳体的连接方式有内齐平式、内插入式和外安放时三种类型见图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。
结束语
在压力容器设计中，开孔补强设计具有不可或缺性，同时也是压力容器安全和性能的重要保障。因此在实际设计过程中，需要合理选材，并针对实际情况来选择合理的补强方式，全面提高开孔补强设计的效果，保证压力容器安全、可靠的运行。
参考文献
[1]刘亚明.开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J].河南科技，2013（5）.
[2]薛冰.压力容器开孔补强在设计中的应用[J].河南化工，2013（10）.