王小全
亿凯（上海）工程机械制造有限公司201517
摘要：压力容器作为工业生产和人们生活中应用度极高的一种密闭设备、设施，其使用的安全性一直是人们广为关注的一个问题。为确保压力容器各个接口功能的完善，在容器壁进行开孔往往无法避免，而容器壁的开孔对压力容器的总体压力承载度又是一种削弱，故而对开孔的补强设计最终成了保证压力容器使用性能与安全质量的关键。本文介绍了压力容器开孔补强设计结构形式、计算原理和两种不同的补强方式，并对补强设计的不同种方法进行了详细介绍与分析，对比出不同种方法的利弊，以供借鉴。
关键词：压力容器设计；开孔补强设计；整体；局部
前言：压力容器通常指可承载一定压力的密闭设备，由于其使用具有一定的危险性，故而设计人员需对其设计中的相关技术进行有效的把握，否则将会为容器的投入使用留下不小的安全隐患。压力容器一般会在设计中于容器壁上预留许多开孔，为的是方便工艺制造和操作，满足容器检验和维护需求，从而保证容器各个接口功能的实现。而开孔的预留通常会引起容器压力承载强度的削弱，使开孔边缘所受到的高应力成为容器产生脆性裂纹并进一步损坏的根源。基于这一情况，开孔补强的设计应运而生，而围绕压力容器开孔补强设计所展开的研究也更具现实意义。
1开孔补强概述
1.1开孔补强结构介绍
开孔补强设计是一种压力容器设计中常见的应用技术，其作用在于帮助压力容器进行使用维护和管道连接，具体是在压力容器开孔之后针对开孔部位进行的局部或整体的改善，并以增大壳体厚度来确保压力容器使用的安全性[1]。而在这一容器抗压性降低和提升的过程中，开孔补强的结构也便慢慢形成，其主要包含的部件有圆筒壳、锥壳、球壳（包括蝶形封头上面的球面部分）、椭圆形封头和平盖。在保证压力容器各个接口功能的实现下，只能将多种小孔留在容器外壁，而为防止这一行为所带来的容器压力减弱情况，则开孔补强结构的设计成了十分有必要的一个组成部分。
1.2开孔补强设计及计算
压力容器的开孔补强设计可分为整体补强和局部补强这两个方向，补强方法主要包含等面积补强法、压力面积补强法、分析法和实验极限压力法等，它们各有优势，在应用中应根据具体的补强情况选择适应的补强方法[2]。除了补强方法的选用以外，设计计算的展开也能对整体设计质量起到一定的决定作用。一般来说，补强设计中常用A1表示补强壳体有效沟渎与计算厚度之外多余面积之差，A2表示外伸接管的有效厚度与计算厚度之外多与面积之差，A3表示内伸接管的有效厚度与计算厚度之外多与面积之差，A4表示需补强部位焊接时所产生的焊接面积，A5表示有效补强范围内另加的补强面积，Ae表示可作为补强的截面积，而A表示的则是压力容器开孔后需要补强区域的总面积，具体公式为Ae=A1+A2+A3+A4，Ae≥A则开孔无需补强，Ae<A则开孔需要补强，即A1+A2+A3+A4+A5>A，是补强设计展开的一个重要根据，在实际补强设计中，有效补强范围如图1所示。
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图1 有效补强范围
2整体补强与局部补强
2.1整体补强
开孔补强的意义在于提升压力容器开孔位置的强度，以保证压力容器的使用强度以及整体质量。而整体补强的方式相较于其他的补强方式在容器的应力控制方面具有较强的优势，如可以实现压力容器处于较低的应力状态，控制容器不出现新的应力点，从而提升容器的补强效果[3]。不过整体补强设计的展开对客观条件的要求也很高，它需要确保壳体的平滑过渡，不允许在容器过渡位置出现较大应力的情况，这也侧面要求了实际操作中过渡位置的焊缝焊接工艺，需要补强人员持有较高的焊接水平，能够找准焊缝位置的同时令焊接过渡位置保持平滑。如此一来，补强工程前期的资金需求量也会进一步增加。
2.2补强圈补强
相较于对补强条件有着较高要求的整体补强，局部补强有着更为广泛的应用范围。局部补强，顾名思义，是对压力容器的部分补强，主要应用技术为补强圈补强法，其具体操作是将补强圈焊接于压力容器的上部，并对孔洞位置进行加厚处理，从而让压力容器承受压力的能力得到提高。一般补强圈补强要注意两点，即确定孔洞位置和保证加厚处理的厚度满足需求。而要确保这两点能得到实现，设计人员首先要熟悉压力容器的制作过程，并对其制作工艺展开细致的分析和研究，查看其焊接环节的质量，通常外部的焊接补强对压力容器的强度和耐久性的提升具有一定的优势，但在应用这一方法时应注意补强板的厚度尺寸，将其尺寸定为容器开孔位置厚度的1.5倍以内，否则焊接过程中焊接逐渐增加将会阻碍应力的连续增加；而补强板的延展性及韧性方面则要满足在常温下400MPa以下的韧性要求[4]。即便补强圈补强的应用率在所用补强方法中都算是较高的一种，但在压力容器所处环境温度变化较大或容器荷载易发生变化、在容器开孔位置进行补强的情况下仍是不允许采取补强圈补强的方式，否则补强板容易出现被氧化或腐蚀情况，这时整体补强法会是一个更适宜的选择。
3压力容器设计中的不同开孔补强方法
3.1等面积补强法
等面积补强法的原则在于开孔处加入的补强材料截面积与壳体开孔损失的总截面积相等，这一方法的应用基于容器整体屈服强度维持一致的基础上，补强后不同接管会得到不同的应力集中系数，即是补强后不同接管的对应安全系数[5]。等面积补强法的优势在于其操作的简易性和实践经验的成熟，因其建立在无限大平板上开小孔的理论之上，所以对于小直径的容器开孔具有良好的适用性，很多时候甚至适用于开孔不规则的容器结构。但其问题也比较明显，即等面积补强法由于设计简单，受容器影响程度较大，无法在全部容器和接管几何比例范围内针对塑性失效提供出对应的安全系数，这便导致了一些补强材料过多或不足的情况发生。
3.2压力面积法
压力面积法应用于开孔范围超出GB150-1998规定的设计，相较于在小孔径不规则开孔中占据较多优势的等面积补强法，压力面积补强法多应用于大开孔的补强情况。这一补强方法是从圆筒壳体对端部均匀作用时，壳体局部向薄膜应力逐渐减弱的范围来考虑的，故其有效补强宽度只与开孔壳体的直径和壁厚有关，与开孔的直径并无关联。压力面积法适用于圆筒形壳体和球形壳体等等开孔补强，应用中应注意以下几个条件的满足：（1）壳体和接管的链接采取全焊接方式，且相连内壁保证过渡平滑；（2）接管、壳体、补强材料应通过无损检测；（3）此方法对介质对应力敏感的场合不适用。
3.3实验极限压力法
实验极限压力法是在塑性失效准则的基础上建立的，其将补强材料设定为较具弹性的理想塑性，结构在大部分发生屈服前不会发生变形，也没有残余应力对结构所产生的影响，如此情况下，补强材料会随着载荷（压力）的持续增加而在某部位形成屈服，直至“屈服”延展到产生流动，这一载荷便被称作极限载荷。在极限载荷原则之下，开孔附近的应力集中区域可以得到一定的许用值，使开孔附近的最大应力的作用面向壁厚方向发生“屈服”，而容器也不会失效。极限载荷的确定方法包括二倍弹性应变载荷、二倍弹性斜率载荷、切线交点法等等，在适用范围方面与压力面积补强法基本一致。
3.4分析法
分析法又叫开孔补强分析法，是《压力容器》（GB150.1-150.4-2011）规定中新增的压力容器开孔补强的一种算法，这一方法的展开基于弹性薄壳理论，主要是对圆筒上法线开孔补强进行应力分析，一般可满足开孔率0.9的补强情况。开孔补强分析法是将弹性薄壳理论简化成公式的一种补强计算方法，并先后得到有限元分析与试验应力分析的验证，其可靠性毋庸置疑，而在应用范围方面其与等面积补偿法具有一定的重叠，设计者可在这两个选项中选择任意一种方式来满足容器开孔补强的需求。
结束语：当前我国对压力容器的安全质量方面已经制定了一系列的标准，因而需要压力容器的设计人员对于其开孔补强设计的开展具有充分的了解与把握。局部补强和整体补强的开展各有其针对的情况，不能一味地肯定其中一种而否定另一种；在具体的开孔补强方法中，等面积补强法和压力面积补强法也从不同角度解决了压力容器开孔补强的问题，但鉴于二者都具有一定的局限性，所以开孔补强技术的不断优化仍是设计者们要考虑的问题。
参考文献：
[1]吴强, 田忠良. 考虑刚度约束的复材机翼蒙皮开口补强设计研究[J]. 制造业自动化, 2016, 038(006):52-54,58.
[2]弃全英. 等面积补强法在内压容器开孔补强中的应用和讨论[J]. 煤化工, 2018, 046(0z1):104-106,103.
[3]臧少锋. 开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J]. 中小企业管理与科技, 2016(3期):220-220.
[4]郑小海. 开孔补强设计在压力容器设计中的应用[J]. 轻工标准与质量, 2015(03):64-66.
[5]马涛. 压力容器设计中开孔补强设计的应用分析[J]. 工业, 2016, 000(006):00268-00268.