对压力容器开孔补强几个问题的认识

时间：2024-05-18

任建诚

（上海河图工程股份有限公司武汉分公司，湖北武汉 430000）

实际设计以及生产中，不可避免的要对压力容器进行开孔。压力容器开孔后，在接管与壳体的连接处会产生很大的局部应力，这个应力比较特殊，有很大的局限性，其应力值与离开孔边缘的距离成反比，距离越远，应力值越小。因此，为了降低该区域的应力集中，可以在开孔附近局部补强。

世界各国所用的补强方法各不一样，每种方法采用的设计准则也都不一样，主要如下：等面积补强法，极限分析法，弹塑性失效等方法。

等面积法和应力分析法是我国 GB 150.1～GB150.4-2011 《压力容器》（下面简称GB150 ）中的开孔补强计算所采用的两种方法。应力分析法主要是根据弹性薄壳理论，本篇不做讨论。在这里，我们主要对等面积法及补强结构进行分析。

1 等面积法及限制

为了维持容器整体屈服强度，壳体在开孔后，用来补强的金属量需要大于或等于因开孔而损失的金属量，这就是等面积补强法。等面积补强法是根据补强后，强度安全系数 4～5 确定，主要不降低壳体开孔后的平均应力。等面积补强方法是以无限大平板开小孔的理论作为基础的，其安全可靠，使用简便，能提供足够的安全裕量即使其在内压，弯矩，推力等的共同作用下。

在 GB150中，采用等面积法时对开孔直径及开孔长短轴之比做出了限制，下面内容会详细提到。

2 开孔补强截面的选取的原因

GB150第6.3.3.1 中对开孔截面有详细规定，在此不做重复介绍，主要说明下为选取那些截面的原因：圆筒厚度计算公式针对的是环向薄膜应力，而圆筒承受此应力的截面是纵向截面，因此，开孔削弱的计算截面也应是纵向截面，即上面所提到的垂直于壳体表面的截面。

3 对开孔直径及开孔长短轴之比做出限制的原因

当壳体的开孔超出 GB150 等面积补强的适用范围（大开孔）时，等面积补强法将不再适用。这是由等面积补强法的理论基础决定的，等面积补强法是架设在无限大平板开小孔的基础上的，当开孔较小时，满足这个假设基础，应力的增大可以用等面积的金属来补偿，其误差在允许范围内。而当开孔较大时，其超出了小开孔大平板的理论分析模式，用等面积补强法就不能满足补偿强度的要求了，尤其是在孔边附近应力集中增大，用等面积法均匀的金属面积来补偿显然不能符合要求。因此，GB150上对开孔直径做出了限制。

壳体开孔时的受力比较复杂。采用等面积法时只考虑了开孔截面处产生的平均应力，而忽略了开孔边缘处的有应力集中以及在开孔区域局部高应力部位的存在安定性问题。当在圆筒形壳体上开纵向长圆形（椭圆形）孔的时，尤其是当长短轴之比较大的时候，很容易产生不安定问题，在长轴顶点处产生较大的局部应力，为了避免过大的局部弯曲应力，解决这个安定性问题，因此必须限制开孔形状及长短轴之比，所以长短轴之比小于或等于 2的是在采用等面积补强计算方法特别要注意又特别容易忽略的一个问题，对此，GB150上也做出了相关规定。

4 补强结构

GB150 中提到的有补强圈补强和整体补强两种方法。

为了降低开孔边缘处的峰值应力，就需要增大承受应力的金属截面积，于是为了增加开孔边缘处的强度，我们就在器壁上额外焊接一块补强板，这就是补强圈补强。最大应力值取决于补强圈的位置，在容器壁内外侧对称布置比在容器外表面完全布置的应力集中要小，在类似情况下，布置于内表面的比布置在外表面的应力集中要小些。如果容器要求承受交变压力的作用，从抗疲劳能力看，选择内外两侧的补强圈比其他形式补强圈合适，但由于介质等情况及考虑焊接的方便，一般是把补强圈放在器壁外侧。

为了使补强圈起到补强作用，需要使补强圈与容器器壁之间焊接的很好，让器壁与补强圈同时受力，因此一般在补强圈上有一个小孔，供通压缩空气来检查焊缝紧密性的。然而补强圈与器壁之间会因为间隙的存在，形成一层薄的空气静止层，使传热效果变差，附加的温差应力因此而产生。在搭接焊根处，往往因装配间隙引起附加的弯矩，使应力增大。另外，补强圈结构抗疲劳性能不好，其不是一个整体，会有间隙的存在。补强圈与容器壁处的搭接焊缝，也会产生较高的局部应力，由于此处结构的不连续，形状突变而造成；还会产生焊接裂纹，尤其是高强度钢，因其本身淬硬性大对焊接裂纹更加敏感，更易开裂，产生焊接裂纹是由于容器器壁对焊缝金属在焊接过程中会产生很大的约束作用，妨碍了其冷却收缩。而采用焊前预热及焊后热处理等措施就可以很好的防止产生焊接裂纹的产生。鉴于以上原因，在采用补强圈补强时， GB150中对低合金钢的标准抗拉强度，补强圈的厚度以及壳体开孔处的名义厚度均作出相关规定，同时，对有较大的温度梯度及承受交变载荷的场合不宜采用补强圈补强。

整体补强有以下方法：

1 增加壳体的厚度；

2 把厚壁管或整体补强锻件与壳体用全焊透的方式相焊。

整体补强中的厚壁管补强是指在容器开孔处焊上一个加厚的短管.

由于整体补强是直接在开孔处应力集中区域进行补强，其效果很好，因此特别适用于低合金高强度钢容器的开孔补强。

不论是用补强圈还是厚壁管补强，所用补强厚度都不宜过大，否则会使补强连接处形状突变，引起应力增大。

整体补强锻件补强一般用于重要设备及开孔直径大的补强设计上。在容器上开排孔或开孔多时，采用这种结构是比较经济的。