由于工艺和结构的要求, 让设备可以正常的使用、测试和检修, 石油化工行业中, 在设备或压力容器上开孔并安装接管是避免不了的, 例如:人手孔, 进出料空, 液位计口, 测温孔等。但开孔后, 开孔处给容器带来的安全隐患也是不可忽视的。开孔处成为设备主要破环源。主要影响有以下几点:
(1) 开孔破环了原有的应力分布并引起应力集中
(2) 承载截面缩小, 从而削弱容器壁的强度
(3) 形成容器结构的不连续性, 产生很高的局部应力
因此, 采取适当的补强方式, 并充分考虑开孔补强问题是必须的也是必要的。这是保证压力容器安全的重要因素。
开孔补强分为局部补强结构和整体补强两大类。但由于开孔应力集中的明显局部性, 在不大的范围外就可以回复到正常的应力值, 故除了制造或结构的需要外, 一般我们不采取提高整个容器壁的厚度来进行开孔补强。由于考虑到制造经济性及安全性, 在压力容器设计中通常采用局部补强方式, 大体分为补强圈补强、厚壁管补强和整体锻件补强三种方式。下面我们就这三种方式使用工况及使用时存在的问题进行讨论。
补强圈的作用弥补开孔对设备壳体性能的削弱。补强圈补强, 由于制造便捷, 结构简单, 广泛使用在中低压容器中。在制造厂中也是最愿意选取的一种方式, 因此使用经验也是最为丰富的。但使用补强圈的限制条件较多, 工况较复杂的情况不适用, 根据HG/T20583的规定, 以下情况均不推荐采用补强圈的形式进行开孔补强: (1) 高强度钢和铬钼钢制造的容器。 (2) 设计压力大于或等于4Mpa的第三类容器。 (3) 容器壳体壁厚大于或等于38mm。 (4) 容器内介质毒性为极度、高度危害的介质。 (5) 疲劳压力容器。 (6) 工作温度为高温 (>350℃) 和低温 (≤-20℃) 的压力容器。 (7) 补强圈的厚度大于1.5倍的容器壁名义厚度。第7点尤为值得注意, 在GB150和HG/T20583中只要求补强圈厚度小于等于1.5倍容器壁名义厚度。但忽略了JB/T4736《补强圈》中给出的补强圈尺寸系列中给出补强圈厚度最大为30mm, 反推, 如果补强圈厚度最大为30mm, 壳体最大厚度为20mm, 显然JB/T4736中要求高于GB150及HG/T20583。这一点部分设计者对标准掌握不全面, 将补强圈厚度定在30mm以上, 或在材料代用时以厚代薄是不符合要求的。
补强圈成形应尽可能与容器的外形紧密贴合。尽管正常情况下设置在容器的外面, 但不影响容器的运行, 补强圈也可放在容器里面。使用补强圈时, 按要求设置一个M10螺孔。M10螺孔作用有三, 分别为检测中的试压、焊接时的排气、使用时的检漏。该螺孔在非标补强圈中经常容易被忽视。在实际制造过程中, 就曾发生未设置信号孔, 热处理后发现壳体与补强圈的连续焊缝被撕裂。
厚壁管补强即在开孔位置焊上厚壁接管取代普通接管。与补强圈补强相比, 厚壁管补强能更有效的补强, 因为厚壁管加厚部分处于最大应力区域呢, 厚壁管可以很好地降低应力集中系数。厚壁管补强的补强形式结构简单, 焊接量小, 也是制造厂比较常用的一种补强方式。值得注意的是采用该种补强形式, 一定要保证焊缝全熔透。另在使用计算软件 (SW6-2011) 计算时, “接管实际外伸长度”一值该如何填写值得讨论。我们在计算软件中输入“接管实际外伸长度”值是为了确定“接管外侧有效补强高度”, 因此厚壁管的削边和筒体占的长度不应计入“接管外侧有效补强高度”。故我们在输入“接管实际外伸长度”一值时, 应输入图1中的H值。
整锻件补强, 该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。优点:采用对焊焊接形式, 容易探伤, 抗疲劳性能好。但锻件制造成本较高, 在普通压力容器中使用较少。大多使用在高压设备及重要设备上。
综上可知, 这三种补强方式都有各自的优缺点。在压力容器设计中, 根据压力容器具体运行工况, 和容器开孔的大小及位置, 选取比较合理和经济, 制造便捷的补强方式。
摘要：结合生产实际, 对不同开孔补强方式进行对比, 以及设计中开孔补强容易忽视的问题。
关键词：开孔补强,补强圈,厚壁管补强,整体锻件补强
[1] GB/T150.1~150.4-2011.压力容器[S].
[2] HG/T20583-2011.钢制化工容器结构设计规定[S].
[3] B/T4736-2002.补强圈[S].
