浅谈大开孔嵌入式补强在催化裂化中的应用

党亚茹 张满航

摘 要：开孔补强是压力容器制造中的常见结构，本文对压力容器制造中常见的补强方法进行总结，并通过实例介绍了嵌入式补强的应用及组焊工艺。

关键词：压力容器；开孔补强；嵌入式补强

在压力容器的设计中，由于结构的要求，常常要在容器上开孔和连接接管。开孔的结果，不但会削弱容器的强度，而且在开孔的附近会造成很高的局部应力。加上制造材料的材质和制造方面的缺陷等综合因素的影響，失效往往开始于开孔的边缘处，往往成为容器破坏的一个重要原因，必须引起十分重视。因此，针对大开孔且开孔接管上常作用有较大的集中载荷时，需要进行合理的补强，才能保证其在生产中正常安全的使用。

1 补强的结构形式

1.1 补强圈补强。补强材料一般和壳体相同，补强圈与壳体很好的贴和，所有焊缝必须紧密焊接，为便于焊后检验压缩空气试漏，在补强圈上应开小孔并攻丝（M10）。

1.2 整体锻件补强。此种结构补强金属集中于开孔应力最大的部位，应力集中系数最小。焊缝均为对接焊，并使焊缝及其热影响区离开最大应力区的位置。故抗疲劳性能好，若采用密集补强形式，又加大了过度圆角半径，应力集中系数更小，但锻件补强需机械加工量大、成本高、制作难度大。

1.3 厚壁接管补强。厚壁接管补强是一种非常好的补强方法，它以工程造价低、便于施工及适用范围广等优点，得到了广泛应用。然而厚壁管补强也有一定的局限性，即当厚壁管的厚度达到壳体厚度的1.75倍且仍然不能满足补强要求时，如果还是采用增加厚壁管厚度的方法，则对开孔补强的作用不大，此时需要采用增加壳体厚度和厚壁管厚度的补强方法。

2 厚壁接管补强应用及组焊工艺选用

2.1 某石化公司总承包的150万吨/年催化裂解制乙烯装置中的再生器便使用了此种补强型式，如图2.1所示。

采用此种补强形式在保证补强要求的同时大大节约了成本，也避免了锻件采购周期长的缺点。由于此台再生器采用的是密集式嵌入补强，因此，选取补强板的组焊工艺就成了新的问题。

2.2 方案论证

2.2.1 常规施工方案。①设备筒体基板分片卷制成筒节，采用正装法组对、焊接；②嵌入补强板单独下料，卷制成型后与大接管进行组焊；③将组焊成整体的补强板与接管进行热处理，消除角焊缝处焊接应力；④设备筒体整体成型后，在壳体补强板处划线、开孔，将补强板与接管整体嵌入壳体。经论证，此种施工方法不够合理，首先，材料利用率低。由于此装置中再生器多达13块嵌入补强板，且最大补强板尺寸为5800×4400mm，最小补强板尺寸为1440×1277mm，若采用常规方法，其材料利用率最多为80%，浪费过大。其次，现场安装施工难度大。再生器中N5管口处补强板与接管整体重近40t，其开孔标高位于EL.28973处，待设备筒体整体组焊完成后开孔组对补强板与接管难度过大，必须有大型吊车配合，施工人员也必须在高空作业。壳体上开孔若不合适，必须利用气割逐步调整。最后，焊接应力集中区过多。如图2.2所示，图中云线处均为焊接应力的集中点。

2.2.2 论证后施工方案。设备壳体排版时将嵌入补强板与基板整体考虑，在避免出现十字焊缝的前提下保证基板与补强板的环向焊缝齐平，以减少应力集中区，如图2.3所示。

2.2.2.1 壳体分片卷制。按照以往设备制造的工序，每带筒节须整体进行卷制，最后将每带筒体进行组焊，以保证整个设备的圆度及直线度要求。但由于目前国内制作水平的限制，无法完成薄厚板的同时卷制，对此我们进行分片卷制、分片组对的工序，分别成型后采用正装法进行组对焊接。

2.2.2.2 改进后施工方案存在的技术难点。①排版需精准。论证改进后方案对整个设备的排版要求极高，首先，排版需考虑大开孔补强板在整个设备壳体中所处的位置不能改变，由于补强板所处位置基板不进行预制，因此其尺寸必须精确。若是同一厚度的弧板进行对接，其下料尺寸可以控制，但此装置中的“两器”嵌入补强板与基板不等厚，所以在排版计算下料尺寸时就必须进行板厚处理，将其换算为同一厚度进行下料。②各处薄厚板坡口、削边的唯一性。由于此装置中再生器壳体处有大量开孔嵌入式补强，各处根据板厚的不同，其削边处理也不相同，再生器Φ12000mm段排版后就出现在大量不等厚弧板的对焊。此段各弧板的削边型式及坡口型式便具有唯一性。

坡口的唯一性体现在不同板厚之间坡口型式选取的不同，壳体基板与嵌入式补强板坡口型式选取。

削边型式的唯一性体现在80mm、86mm厚的嵌入式补强板。由于补强板尺寸过大，无法整体卷制，只能进行分片卷制，而在分片时为了避免十字焊缝，必须将补强板与基板错开，这就造成了同一块弧块的一侧出现两种不同的削边处理。

参考文献：

[1]GB150-2011.钢制压力容器[S].北京：中国标准出版社，2011.

[2]余国琮.化工容器及设备[M].北京：化学工业出版社，1980.