摘要：在压力容器设计中，开孔的目的是满足接管、检查和功能测试等的要求，而对开孔进行补强则是防止在该处产生应力集中危险因素，从而压力容器整体结构的安全。在本案，笔者简要论述开孔补强设计在压力容器设计中的运用。
关键词：压力容器；补强圈补强；整体补强
压力容器开孔后，会在开孔处产生局部性的边缘应力，因此需用补强圈、厚壁管和整锻件等进行补强，而若要维持压力容器的整体强度，则需补强由开孔外壁削弱的强度，注意在压力容器开孔补强中，应将开孔的数量、位置和容器的要求等考虑其中。据此，本案分别从如下方面来浅析开孔补强设计在压力容器设计中的运用：
1补强圈补强设计
补强圈补强是一种局部补强形式，其具有焊缝小、结构简单等优点及其适用条件如下：补强圈厚度小于等于1.5δn、钢材的Rm小于540MPa，壳体厚度小于等于38mm，注意补强圈的用材应与壳体一致。补强圈补强一般是将补强板焊在压力容器壁上，以增加该处的金属厚度及开孔边沿的强度。但在这一过程中，建议注意如下事项：一是严控补强板的厚度，保证其小于等于压力容器开孔处厚度的1.5倍，否则会增大容器的不连续应力；二是用于补强板的钢材应具有良好的延展性和塑性，一般保证其在常温下的屈服强度ReL小于等于400MPa；三是焊缝采用全焊透结构，并在补强圈上开M10通孔，通过充气的方式来检验补强圈的焊透性；四是当压力容器使用环境的温差较大、氧化性和腐蚀性较强时及容器的载荷变化较大时，不易选取补强圈补强方式。综上，鉴于补强金属处于开孔应力集中区及其补强效果较好，则建议用在高强度、低合金的钢容器中。
2厚壁接管补强设计
在压力容器设计中，厚壁接管补强方式应用较为普遍。针对厚壁接管补强，其首要步骤是选材，即以压力容器的使用条件及壳体材料为选材依据，注意其应与压力容器的壳体材料一致。此外，在厚壁接管补强设计时，还应明确如下要点：一是不得选用强度比母材壳体大的接管材料，以免影响焊接效果；二是若选用强度比母材壳体小的接管材料，应增加接管的壁厚，以提高其补强效果，注意适当缩减接管的流通面积；三是为了减小加工误差，可选用锻件加工或无缝钢管，注意两种材料的使用条件有所区别，即当设计压力低及壁厚要求低时，选用无缝钢管，反之则选用锻件加工，从而满足压力容器开孔的补强要求。综上，在厚壁接管补强设计中，应严控接管材料的质量，这是保证补强效果的基础条件。
3整体锻件补强设计
整体锻件补强设计是一种将厚壁接管与壳体及其加强部分连为一体或增加壳体厚度的形式。实践证实，整体锻件补强设计可降低压力容器外壳的应力水平至最低状态，从而保证了容器的补强效果。但在这一过程中，建议注意如下事项：一是妥善处理壳体过渡部位，使其得以平滑过渡，并严控过渡区的应力；二是提高过渡焊缝的质量，一般需对壳体与锻件间的缝隙进行全焊透；三是整体锻件补强设计一般用于盛装危害性介质、承受疲劳载荷或有大开孔的压力容器中，且其设计压力大于等于4.0MPa及设计温度大于等于350℃。应用结果表明，整体锻件补强设计具有如下优点：补强金属的应力集中系数最小；焊缝与热影响区远离最大应力点时，可提高其抗疲劳性能；对于锻件与壳体间的对接焊缝，可通过超声或射线检查来保证其质量。
4开孔补强设计准则
研究发现，压力容器壳体边缘的应力不尽相同，则其性质和补强要求也有所差异。因此，为了防止失稳及提高开孔的截面强度，应从安定性的角度来考虑开孔变形产生的应力及从疲劳强度来考虑开孔边沿的峰值应力。据此，压力容器开孔补强设计应坚持如下准则：4.1等面积补强准则等面积补强准则是一种经验设计法，其观点如下：在一定补强范围中，壳体在开孔处承受的内压较小及其承载面积较窄，则需用金属材料来削弱面积补强，注意开孔削弱的截面积指的是开孔在壳体纵截面上的投影面积，因其仅考虑了静力强度，则不宜用在疲劳容器开孔补强中。4.2其他除等面积补强准则以外，压力容器开孔补强设计还应坚持极限分析补强准则、增量塑性理论和安定性分析等。
5结语
综上，开孔补强设计在压力容器设计中的运用可防止开孔破坏容器壁的强度及防止在连接处产生集中应力，从而保证了压力容器的安全性和可靠性。针对文中所述的补强圈补、厚壁接管和整体锻件补强设计，其各具优缺点。因此，在实际应用中，首先应查明压力容器设计的基本情况，然后再结合三种补强形式的优缺点来选择其中最佳的一种，注意在这一过程中，应设法控制所选补强形式的缺点，以防其进一步扩大而影响压力容器的补强效果。总之，在开孔补强设计中，优选补强形式和补强材料是保证压力容器补偿效果的根本所在，值得重视。
参考文献：
[1]孙昕.开孔补强设计在压力容器设计中的应用研究[J].化工管理,2016,14:196-197.
[2]吕明.基于ANSYS的压力容器开孔补强结构可靠性分析与优化设计[J].盐城工学院学报(自然科学版),2012,02:27-29+33.
[3]刘文娟.开孔补强方法在压力容器设计中存在问题分析[J].中国新技术新产品,2012,12:121.
代发论文 [4]海仁沙•居马洪,肖浪.开孔补强设计在常规压力容器制造中的应用[J].中国石油和化工标准与质量,2013,08:233.
作者：黄集旭 单位：温州新星设备安装有限公司
