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摘 要：开孔补强是压力容器中常见的结构，不同的设备往往选择不同的补强结构。针对某低温设备，提出了三种加固结构方案，并分别计算了加固面积。总结了不同加固结构的优缺点。局部加厚壳是设备的最佳配筋结构，适用于低温设备或不能使用钢筋环或对结构连续性要求较高的设备。
关键词 ：低温设备; 开孔补强; 局部加厚壳体
1概况
以某公司生产的低温储罐为例。储罐设计参数为：设计压力P=2.6MPa;设计温度T=50/-61℃; 设备直径d=3000 mm;壳体、接管、加强圈均采用sa-537 Cl2材料，材料的许用应力为[σ] t=137.9兆帕。
2低温设备开孔补强结构优化设计方案
所谓开孔补强，是指通过所谓的低温加固，使压力容器开闭后，容器开闭周围金属材料的低温抗压腐蚀强度得到有效提高的一种临时补救加固方法指针。因此，开孔补强在低温压力容器的工业生产和设备使用中起着重要的主导作用，保证了各种压力容器发挥其重要功能，延长了低温压力容器的生产和使用寿命。根据各种低温压力容器的总体结构设计特点，开口焊补强整体结构的基本设计原则可分为三种基本类型：第一种类型主要是钢管开口焊补强环，第二类主要为钢管开孔补强，第三类主要为厚壁接管开孔补强。
2.1补强圈补强结构设计
补强圈补强结构设计的基本思路是：在壳体接管口附近及其周围的承压容器一定厚度范围内，在壳体接管口附近进行焊接加压，以补充补强板，从而大大增加了壳体承受压力的面积，削弱了在壳体接管开口处的应力。多年的制造和设计经验证明，在加工、设计和制造过程中，加强圈的移动位置对压力和应力峰值有很大的影响。加强环更均匀地附着在附加压力容器内外壁的两侧，不会直接造成附加压力容器材料和构件结构的不对称，避免了由于材料结构的强度不连续而直接影响附加环的弯矩和相应的弯曲应力。
在生产过程中，加强圈的材质与壳体相同。加强环与壳体配合良好。一般情况下，全熔透焊缝焊接在连接管和壳体上。补强圈与储气罐壁的焊接连接主要采用手工搭接或点焊，形状尺寸变化较大。在热处理过程中，焊缝会产生较大的局部摩擦应力。同时，在电热焊接过程中，电热容器的温度自动控制。在塑料焊缝的预热和冷却过程中，材料焊接会迅速产生大量的冷却热和收缩。因此，角焊缝中容易出现大的裂纹，特别是在高强度金属材料的情况下。因此，应采取焊前塑料预热等预防措施，在塑料焊接和焊后塑料热处理过程中，还应采取预热措施，有效限制塑料层间的焊接温度，以防止塑钢圈与塑料容器、壳体之间的角焊缝出现大裂纹。有孔加筋壳体的疲劳寿命仅为无孔加筋壳体的70%。因此，强化循环不锈钢适用于高温、高压、反复载荷频率波动的特殊压力容器。
2.2局部加厚壳体补强
采用局部加厚壳体和加厚接管加强开孔。厚壁焊管的压力保护设计通常是根据各种压力容器的实际环境条件和焊接材料的性能要求来确定的。通过选择合适的金属材料，可以有效、准确地保证各种金属材料和特殊材料的强度。为了有效地提高喷嘴补强的应用效果，为了有效地推广应用，应尽量增加整个供水喷嘴的流量厚壁面积，并尽量选用强度低于供水容器内壳的薄壁厚壁作为接管补强材料。厚壁焊管应力补强焊接结构的基本设计技术特点是：（1）由于厚壁焊管两侧均位于开闭孔的最大横向应力区，可有效降低孔边的开孔应力集中。另外，整体结构与强循环壳体相结合，可以有效弥补和填补强循环壳体结构抗疲劳、耐热性差的巨大缺陷，也大大降低了对温差的适应性。适用于各种高温、低温、快速适应压力和温度波动以及高温、剧毒腐蚀性介质的加工条件。（2）大型厚壁多孔接管与塑料壳体的无缝焊接一般为无缝焊接。大跨度多孔接管边缘的最小弯曲应力和弯曲应力集中系数较大，严重时最大弯曲应力集中系数一般为6～9。在这种复杂的条件下，传统的配筋结构设计方法很难完全满足建筑结构设计者的要求。但厚壁接管口漏筋区一般位于应力集中的孔边，可有效减少应力集中漏筋，可满足大型压力容器专用结构的基本设计性能要求。厚壁接管虽然兼有上述两个优点，但直接增加整个接管的薄壁厚度，不可能完全满足厚壁补强能力不足的技术要求。根据长期的壳体设计和施工实践经验，当增加厚壁管厚度超过当前壳体内壁厚度的1.75倍时，增加多孔接管内壁设计厚度对多孔接管补强厚度影响不大，多孔接管补强壳体设计厚度的计算方案应采用增加厚壁接管、同时减小壳体内壁厚度的解决方案。
2.3整体补强结构设计
整体材料补强是在开口处加厚开口构件材料，而不添加其他材料对开口构件进行补强，从而有效提高阀门开口处构件材料的性能水平和使用强度，确保各类压力容器的使用质量和结构完整性。对于带凸头的整体圆筒和平板，通过计算引入孔数和扩张孔数的弱化补强系数，根据壁厚设计中的公式，可得到各整体凸头的补强厚度;对于其他气缸凸块，应根据每个局部凸块的补强厚度要求计算局部补强厚度。满足局部补强厚度要求的鼓包补强厚度可作为整个鼓包的补强厚度。
当各类压力容器对液压补强系统的质量要求较高时，在设计全启闭孔压补强系统时，应尽量减少选用全启闭孔补强设计方法。压力容器易氧化、腐蚀，温度变化快。壳层结构材料是高腐蚀强度的铬钢，PR>0。对于由铬钢和铝钢（540MPa）制成的压力容器，有必要考虑使用一种整体结构加强件（可以增加容器殼体的壁厚）或一部分整体加强件。
3不同补强方案对设备的影响
3.1 采用补强圈加强开孔时，根据GB/T 150.3-2011《压力容器第3部分：设计标准》，补强圈的厚度应小于或等于壳体壁厚的1.5倍，故选用补强圈。补强圈厚度取39mm，补强圈宽度取250mm，即补强圈外径为11313mm时，接管补强合格。加强圈的加强结构简单，制造方便。但是，加强环和壳体之间需要焊接。因此，环的抗疲劳性能较差，很难与壳体表面完全吻合，这将对中高温容器产生较大的局部热应力。设备工作温度约为42℃，而环境温度是-61℃， 两者温差较大，补强环的结构会对壳体产生约束，产生局部应力。因此，设备应尽量避免使用加强圈。
3.2加厚接管补强时，经计算，接管厚度需加厚至150mm，壳体厚度为26mm，才能满足补强要求，δ n t/δ= 5.77，加固结构的结构突变明显。根据GB/T 150-2011标准附录E，本设备为低温容器，应尽量避免结构突变，以降低局部应力。加厚接管厚度分别为266mm和150mm。只能加大厚度，造成锻件尺寸大、质量大、制造周期长、成本高、经济性差。
3.3采用局部加厚壳体同时加厚接管时，局部加厚壳体厚度为33mm，为原壳体厚度的1.26倍，补强段接管厚度为81.5mm，δ n t/δ=3.13，与加厚喷嘴相比，该方法降低了结构突变程度，喷嘴厚度减小，质量降低，成本降低，经济性更好。
3结论
本文提出了低温设备开孔的三种补强结构，并通过分析给出了三种不同结构的设计方案。从设备的局部受力和经济性两方面比较了其优缺点。由此可见，局部加厚壳体加厚接管的加固结构是本设备最合适的加固方案，为低温设备或不使用补强圈或结构连续性要求高的设备的开孔补强设计提供参考。
参考文献：
[1]寿比南，陈钢，郑津洋，等.GB150--2011《压力容器》[s].北京：中国标准出版社.2012.
[2]付双武.压力容器开孔补强设计的应用分析[J].中国设备工程，2017（2）：93—94.
[3]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，2016f141：55.
关键词 ：低温设备; 开孔补强; 局部加厚壳体
1概况
以某公司生产的低温储罐为例。储罐设计参数为：设计压力P=2.6MPa;设计温度T=50/-61℃; 设备直径d=3000 mm;壳体、接管、加强圈均采用sa-537 Cl2材料，材料的许用应力为[σ] t=137.9兆帕。
2低温设备开孔补强结构优化设计方案
所谓开孔补强，是指通过所谓的低温加固，使压力容器开闭后，容器开闭周围金属材料的低温抗压腐蚀强度得到有效提高的一种临时补救加固方法指针。因此，开孔补强在低温压力容器的工业生产和设备使用中起着重要的主导作用，保证了各种压力容器发挥其重要功能，延长了低温压力容器的生产和使用寿命。根据各种低温压力容器的总体结构设计特点，开口焊补强整体结构的基本设计原则可分为三种基本类型：第一种类型主要是钢管开口焊补强环，第二类主要为钢管开孔补强，第三类主要为厚壁接管开孔补强。
2.1补强圈补强结构设计
补强圈补强结构设计的基本思路是：在壳体接管口附近及其周围的承压容器一定厚度范围内，在壳体接管口附近进行焊接加压，以补充补强板，从而大大增加了壳体承受压力的面积，削弱了在壳体接管开口处的应力。多年的制造和设计经验证明，在加工、设计和制造过程中，加强圈的移动位置对压力和应力峰值有很大的影响。加强环更均匀地附着在附加压力容器内外壁的两侧，不会直接造成附加压力容器材料和构件结构的不对称，避免了由于材料结构的强度不连续而直接影响附加环的弯矩和相应的弯曲应力。
在生产过程中，加强圈的材质与壳体相同。加强环与壳体配合良好。一般情况下，全熔透焊缝焊接在连接管和壳体上。补强圈与储气罐壁的焊接连接主要采用手工搭接或点焊，形状尺寸变化较大。在热处理过程中，焊缝会产生较大的局部摩擦应力。同时，在电热焊接过程中，电热容器的温度自动控制。在塑料焊缝的预热和冷却过程中，材料焊接会迅速产生大量的冷却热和收缩。因此，角焊缝中容易出现大的裂纹，特别是在高强度金属材料的情况下。因此，应采取焊前塑料预热等预防措施，在塑料焊接和焊后塑料热处理过程中，还应采取预热措施，有效限制塑料层间的焊接温度，以防止塑钢圈与塑料容器、壳体之间的角焊缝出现大裂纹。有孔加筋壳体的疲劳寿命仅为无孔加筋壳体的70%。因此，强化循环不锈钢适用于高温、高压、反复载荷频率波动的特殊压力容器。
2.2局部加厚壳体补强
采用局部加厚壳体和加厚接管加强开孔。厚壁焊管的压力保护设计通常是根据各种压力容器的实际环境条件和焊接材料的性能要求来确定的。通过选择合适的金属材料，可以有效、准确地保证各种金属材料和特殊材料的强度。为了有效地提高喷嘴补强的应用效果，为了有效地推广应用，应尽量增加整个供水喷嘴的流量厚壁面积，并尽量选用强度低于供水容器内壳的薄壁厚壁作为接管补强材料。厚壁焊管应力补强焊接结构的基本设计技术特点是：（1）由于厚壁焊管两侧均位于开闭孔的最大横向应力区，可有效降低孔边的开孔应力集中。另外，整体结构与强循环壳体相结合，可以有效弥补和填补强循环壳体结构抗疲劳、耐热性差的巨大缺陷，也大大降低了对温差的适应性。适用于各种高温、低温、快速适应压力和温度波动以及高温、剧毒腐蚀性介质的加工条件。（2）大型厚壁多孔接管与塑料壳体的无缝焊接一般为无缝焊接。大跨度多孔接管边缘的最小弯曲应力和弯曲应力集中系数较大，严重时最大弯曲应力集中系数一般为6～9。在这种复杂的条件下，传统的配筋结构设计方法很难完全满足建筑结构设计者的要求。但厚壁接管口漏筋区一般位于应力集中的孔边，可有效减少应力集中漏筋，可满足大型压力容器专用结构的基本设计性能要求。厚壁接管虽然兼有上述两个优点，但直接增加整个接管的薄壁厚度，不可能完全满足厚壁补强能力不足的技术要求。根据长期的壳体设计和施工实践经验，当增加厚壁管厚度超过当前壳体内壁厚度的1.75倍时，增加多孔接管内壁设计厚度对多孔接管补强厚度影响不大，多孔接管补强壳体设计厚度的计算方案应采用增加厚壁接管、同时减小壳体内壁厚度的解决方案。
2.3整体补强结构设计
整体材料补强是在开口处加厚开口构件材料，而不添加其他材料对开口构件进行补强，从而有效提高阀门开口处构件材料的性能水平和使用强度，确保各类压力容器的使用质量和结构完整性。对于带凸头的整体圆筒和平板，通过计算引入孔数和扩张孔数的弱化补强系数，根据壁厚设计中的公式，可得到各整体凸头的补强厚度;对于其他气缸凸块，应根据每个局部凸块的补强厚度要求计算局部补强厚度。满足局部补强厚度要求的鼓包补强厚度可作为整个鼓包的补强厚度。
当各类压力容器对液压补强系统的质量要求较高时，在设计全启闭孔压补强系统时，应尽量减少选用全启闭孔补强设计方法。压力容器易氧化、腐蚀，温度变化快。壳层结构材料是高腐蚀强度的铬钢，PR>0。对于由铬钢和铝钢（540MPa）制成的压力容器，有必要考虑使用一种整体结构加强件（可以增加容器殼体的壁厚）或一部分整体加强件。
3不同补强方案对设备的影响
3.1 采用补强圈加强开孔时，根据GB/T 150.3-2011《压力容器第3部分：设计标准》，补强圈的厚度应小于或等于壳体壁厚的1.5倍，故选用补强圈。补强圈厚度取39mm，补强圈宽度取250mm，即补强圈外径为11313mm时，接管补强合格。加强圈的加强结构简单，制造方便。但是，加强环和壳体之间需要焊接。因此，环的抗疲劳性能较差，很难与壳体表面完全吻合，这将对中高温容器产生较大的局部热应力。设备工作温度约为42℃，而环境温度是-61℃， 两者温差较大，补强环的结构会对壳体产生约束，产生局部应力。因此，设备应尽量避免使用加强圈。
3.2加厚接管补强时，经计算，接管厚度需加厚至150mm，壳体厚度为26mm，才能满足补强要求，δ n t/δ= 5.77，加固结构的结构突变明显。根据GB/T 150-2011标准附录E，本设备为低温容器，应尽量避免结构突变，以降低局部应力。加厚接管厚度分别为266mm和150mm。只能加大厚度，造成锻件尺寸大、质量大、制造周期长、成本高、经济性差。
3.3采用局部加厚壳体同时加厚接管时，局部加厚壳体厚度为33mm，为原壳体厚度的1.26倍，补强段接管厚度为81.5mm，δ n t/δ=3.13，与加厚喷嘴相比，该方法降低了结构突变程度，喷嘴厚度减小，质量降低，成本降低，经济性更好。
3结论
本文提出了低温设备开孔的三种补强结构，并通过分析给出了三种不同结构的设计方案。从设备的局部受力和经济性两方面比较了其优缺点。由此可见，局部加厚壳体加厚接管的加固结构是本设备最合适的加固方案，为低温设备或不使用补强圈或结构连续性要求高的设备的开孔补强设计提供参考。
参考文献：
[1]寿比南，陈钢，郑津洋，等.GB150--2011《压力容器》[s].北京：中国标准出版社.2012.
[2]付双武.压力容器开孔补强设计的应用分析[J].中国设备工程，2017（2）：93—94.
[3]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，2016f141：55.