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[摘 要]随着化工行业的快速发展，压力容器在化工行业的应用越来越多，为化工行业的发展做出了很多的贡献。在压力容器的设计中，开孔补强设计是其设计中重要的部分。所谓的开孔补强设计，就是在压力容器上开孔，从而降低压力容器的承压，但是在开孔的过程中，改变了压力容器的结构，容易发生危险，因此就需要在开孔操后进行补强。本文主要介绍开孔补强设计的现状和设计计算，并且提出了三种常见的开孔补强设计方法，分别阐述了其设计原理和应该注意的问题，为化工行业的开孔补强设计提供了一些参考意见。
[关键词]开孔补强设计 压力容器 应用探析
中图分类号：U553 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）28-0089-01
开孔操作是在压力容器设计制造中重要的一个环节。开孔可以实现压力容器中的各项功能，同时也便于压力容器的维修等。在压力容器的安装、调试时，开孔也是很重要的。但是在压力容器的容器壁上进行开孔操作，会改变压力容器的整体结构，从而降低压力容器的压力承受度，容器的局部应力承受性能更差，在操作中也会出现很多危险。因此为了提升压力容器的整体性能，要进行补强操作。
一、 开孔补强方法的应用现状
在进行开孔补强时，需要考虑到容器壳体开孔处的应力。通常情况下把应力分为三种：局部薄膜应力、峰值应力和弯曲应力。三种应力的性质不同，选择的补强方法也不尽相同。对于薄膜应力的补强来说，需要保证开孔处截面的静力强度，防止出现压力的不稳定现象，峰值应力应该从开孔对容器的破坏性和疲劳度方面进行考虑，弯曲应力则要提升容器的安定性。目前应用的三种设计技术能够分别适应这三种不同的应力，能够有效的提升压力容器的效果。
二、开孔补强的设计计算
在进行开孔补强的设计中，除了要考虑补强方法、应力等，还要对补强的设计进行计算。在进行补强计算中，主要应用这样一个计算方法：A+B+C≥D。其中A指的是补强设计时的多余面积，是由壳体的有效厚度减去计算厚度的差值；B指的是接管的有效厚度与计算厚度的差值，也是多余的面积；C指的是在补强区域进行焊接时的金属截面面积；D指的是压力容器由于开孔需要补强的面积。从这个公式可以看出，压力容器是否需要补强，还需要进行多方面的测量和计算。
三、开孔补强的设计方法
（一）补强圈补强设计
补强圈补强设计是一种局部补强方法，在压力容器补强设计中被广泛的应用。补强圈补强的设计原理是在容器的容器壁上焊接一个补强板，以此增加开孔部位的容器壁金属厚度，通过增加开孔边缘的金属强度，从而达到补强的目的。在实际的操作中看，在容器外部进行焊接补强更具有操作性，其补强的效果也比在容器内部焊接补强板的效果好，并且也能够极大的提升容器的抗疲劳强度。
在进行补强圈补强进行开孔设计的时候，需要注意以下两点。首先是对焊接板的要求。补强板的材料选用的钢材要具有较好的塑性和延展性，厚度不要超过容器开孔处厚度的1.5倍，如果厚度过大，会造成焊接角的增加，从而使容器的不连续应力加大。其次是对施工环境的要求。补强圈设计不适用于温差变化较大的环境，对腐蚀性和氧化性较强的环境也无法发挥其补强效果，补强圈设计一般适用于高强度、低合金钢容器的开孔补强设计，适用于补强的金属焊接板直接处在开孔的应力集中区域，从而使其补强的效果发挥到最大。
（二）整体锻件补强设计
从开孔补强设计的基本要求上看，为了减少金属加强壳体在开孔操作后造成的强度减弱现象，因此需要进行补强设计，从而减少新的应力集中。在其他条件相同的情况下，整体锻件补强能够最大限度的降低壳体的应力水平，同时也不会增加新的应力集中点，因此相对于补强圈补强设计和厚壁接管设计这两种设计来说，整体锻件补强设计的压力容器补强的效果是最好的。在进行整体锻件补强操作设计时，要使容器的壳体和整体锻件进行平缓的过渡，锻件补强对壳体的过渡要求比补强圈的壳体过渡要求高，同时要避免在进行过渡时壳体的某一侧出现应力集中的现象。从实际的生产操作中看，整体锻件补强的施工难度大，加工的成本也会高出许多，产生这种现象的原因就是整体锻件补强的方法对过渡区的焊缝要求很高。在使用环境比较差的条件下和要求设计精度比较高的情况下通常采用整体锻件补强设计方法进行压力容器的补强设计，从而保证设计的精度。
（三）厚壁接管补强设计
厚壁接管补强设计也是压力容器在进行开孔补强操作中的一种常见的技术方法。采用厚壁接管补强设计时首先考虑的就是接管的材料选择，要综合分析壳体材料的特点和使用条件，考虑接口的应力。为了保证接管的整体特性和强度与压力容器一致，通常选用与压力容器壳体材料相同的材料作为补强材料。对接管的强度也有一定的要求，如果接管材料的强度高于容器壳体材料的强度，会直接影响焊接补强的效果，从而影响补强结构的性能发挥。如果选择了强度低的接管材料，就要按照施工情况相应的增加接管壁处的金属厚度，适当的减少接管处的流通面积，进行更好的补强焊接，以提升补强的整体效果。在进行厚壁接管补强设计时，要尽量采用无缝钢管材料或者是锻件进行加工制作，避免出现加工误差现象的出现。在选用的时候要根据压力容器对压力的要求进行选择，如果对压力的要求不高，接管壁厚度不大时可以采用无缝钢管，相反则选用锻件加工，以达到补强的标准。
四、压力容器补强设计中应该注意的问题
（一）接管的长度充足
接管的长度是厚壁接管补强操作中重要的因素。在补强设计中，通常选用的操作时是先将法兰与接管进行焊接，然后在进行接管和容器之间的连接，因此要保证接管的长度足够，从而使补强圈的接管与压力容器的壳体角缝隙能够较好的贴合。如果接管的长度不够，那么就会给焊接操作带来很大的困难。因此在进行接管选择的时候，要保证接管的长度能够很好的满足设计的要求。
（二）补强圈的增加
用补强圈进行补强计算的前提是设计的压力小于6.4MPa的时候，如果需要另外补强的时候，需要进行的操作是增加接管的厚度和增加一个补强圈。在进行补强圈的选择时候，要参照标准补强圈来进行选择，使其开口直径小于50，其他按照的标准的结构和性能选择即可。补强圈需要开一个螺纹孔（大小约为M10），用来检查补强圈连接焊缝的质量，角焊缝不得有渗漏现象。补强圈外径的选择也很重要，一般不要小于130mm，以此给焊接口留出一定的空间。
结语
化工行业的发展离不开各种设备的应用，压力容器就是常见的一种机械设备。为了保证压力容器的功能和性能，需要进行开孔。由于开孔会改变压力容器的结构，就需要进行补强设计。开孔补强设计是压力容器设计中重要的环节，为了保证压力容器的整体性能，需要从施工材料、焊接环境、补强计算等等方面综合考虑。根据开孔处的应力不同，选择不同的补强技术，不仅要保证补强的操作发挥其应有的效果，同时要避免出现新的应力集中点。在进行开孔补强的操作时，要注意操作的安全，防止出现施工的事故。要不断的提升补强设计的施工方法，让压力容器为我国的化工行业做出更多的贡献。
参考文献
[1] 兰俊平.压力容器开孔补强的探讨田实验室科学，2008，（03）.
[2] 柏文广，刘宜国.浅析压力容器开孔补强设计方法[J].化学工程与装备，2009（11）.
[3] 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.
[4] 刘亚明.开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J].河南科技，2013，09：42.
[5] 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.
[关键词]开孔补强设计 压力容器 应用探析
中图分类号：U553 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）28-0089-01
开孔操作是在压力容器设计制造中重要的一个环节。开孔可以实现压力容器中的各项功能，同时也便于压力容器的维修等。在压力容器的安装、调试时，开孔也是很重要的。但是在压力容器的容器壁上进行开孔操作，会改变压力容器的整体结构，从而降低压力容器的压力承受度，容器的局部应力承受性能更差，在操作中也会出现很多危险。因此为了提升压力容器的整体性能，要进行补强操作。
一、 开孔补强方法的应用现状
在进行开孔补强时，需要考虑到容器壳体开孔处的应力。通常情况下把应力分为三种：局部薄膜应力、峰值应力和弯曲应力。三种应力的性质不同，选择的补强方法也不尽相同。对于薄膜应力的补强来说，需要保证开孔处截面的静力强度，防止出现压力的不稳定现象，峰值应力应该从开孔对容器的破坏性和疲劳度方面进行考虑，弯曲应力则要提升容器的安定性。目前应用的三种设计技术能够分别适应这三种不同的应力，能够有效的提升压力容器的效果。
二、开孔补强的设计计算
在进行开孔补强的设计中，除了要考虑补强方法、应力等，还要对补强的设计进行计算。在进行补强计算中，主要应用这样一个计算方法：A+B+C≥D。其中A指的是补强设计时的多余面积，是由壳体的有效厚度减去计算厚度的差值；B指的是接管的有效厚度与计算厚度的差值，也是多余的面积；C指的是在补强区域进行焊接时的金属截面面积；D指的是压力容器由于开孔需要补强的面积。从这个公式可以看出，压力容器是否需要补强，还需要进行多方面的测量和计算。
三、开孔补强的设计方法
（一）补强圈补强设计
补强圈补强设计是一种局部补强方法，在压力容器补强设计中被广泛的应用。补强圈补强的设计原理是在容器的容器壁上焊接一个补强板，以此增加开孔部位的容器壁金属厚度，通过增加开孔边缘的金属强度，从而达到补强的目的。在实际的操作中看，在容器外部进行焊接补强更具有操作性，其补强的效果也比在容器内部焊接补强板的效果好，并且也能够极大的提升容器的抗疲劳强度。
在进行补强圈补强进行开孔设计的时候，需要注意以下两点。首先是对焊接板的要求。补强板的材料选用的钢材要具有较好的塑性和延展性，厚度不要超过容器开孔处厚度的1.5倍，如果厚度过大，会造成焊接角的增加，从而使容器的不连续应力加大。其次是对施工环境的要求。补强圈设计不适用于温差变化较大的环境，对腐蚀性和氧化性较强的环境也无法发挥其补强效果，补强圈设计一般适用于高强度、低合金钢容器的开孔补强设计，适用于补强的金属焊接板直接处在开孔的应力集中区域，从而使其补强的效果发挥到最大。
（二）整体锻件补强设计
从开孔补强设计的基本要求上看，为了减少金属加强壳体在开孔操作后造成的强度减弱现象，因此需要进行补强设计，从而减少新的应力集中。在其他条件相同的情况下，整体锻件补强能够最大限度的降低壳体的应力水平，同时也不会增加新的应力集中点，因此相对于补强圈补强设计和厚壁接管设计这两种设计来说，整体锻件补强设计的压力容器补强的效果是最好的。在进行整体锻件补强操作设计时，要使容器的壳体和整体锻件进行平缓的过渡，锻件补强对壳体的过渡要求比补强圈的壳体过渡要求高，同时要避免在进行过渡时壳体的某一侧出现应力集中的现象。从实际的生产操作中看，整体锻件补强的施工难度大，加工的成本也会高出许多，产生这种现象的原因就是整体锻件补强的方法对过渡区的焊缝要求很高。在使用环境比较差的条件下和要求设计精度比较高的情况下通常采用整体锻件补强设计方法进行压力容器的补强设计，从而保证设计的精度。
（三）厚壁接管补强设计
厚壁接管补强设计也是压力容器在进行开孔补强操作中的一种常见的技术方法。采用厚壁接管补强设计时首先考虑的就是接管的材料选择，要综合分析壳体材料的特点和使用条件，考虑接口的应力。为了保证接管的整体特性和强度与压力容器一致，通常选用与压力容器壳体材料相同的材料作为补强材料。对接管的强度也有一定的要求，如果接管材料的强度高于容器壳体材料的强度，会直接影响焊接补强的效果，从而影响补强结构的性能发挥。如果选择了强度低的接管材料，就要按照施工情况相应的增加接管壁处的金属厚度，适当的减少接管处的流通面积，进行更好的补强焊接，以提升补强的整体效果。在进行厚壁接管补强设计时，要尽量采用无缝钢管材料或者是锻件进行加工制作，避免出现加工误差现象的出现。在选用的时候要根据压力容器对压力的要求进行选择，如果对压力的要求不高，接管壁厚度不大时可以采用无缝钢管，相反则选用锻件加工，以达到补强的标准。
四、压力容器补强设计中应该注意的问题
（一）接管的长度充足
接管的长度是厚壁接管补强操作中重要的因素。在补强设计中，通常选用的操作时是先将法兰与接管进行焊接，然后在进行接管和容器之间的连接，因此要保证接管的长度足够，从而使补强圈的接管与压力容器的壳体角缝隙能够较好的贴合。如果接管的长度不够，那么就会给焊接操作带来很大的困难。因此在进行接管选择的时候，要保证接管的长度能够很好的满足设计的要求。
（二）补强圈的增加
用补强圈进行补强计算的前提是设计的压力小于6.4MPa的时候，如果需要另外补强的时候，需要进行的操作是增加接管的厚度和增加一个补强圈。在进行补强圈的选择时候，要参照标准补强圈来进行选择，使其开口直径小于50，其他按照的标准的结构和性能选择即可。补强圈需要开一个螺纹孔（大小约为M10），用来检查补强圈连接焊缝的质量，角焊缝不得有渗漏现象。补强圈外径的选择也很重要，一般不要小于130mm，以此给焊接口留出一定的空间。
结语
化工行业的发展离不开各种设备的应用，压力容器就是常见的一种机械设备。为了保证压力容器的功能和性能，需要进行开孔。由于开孔会改变压力容器的结构，就需要进行补强设计。开孔补强设计是压力容器设计中重要的环节，为了保证压力容器的整体性能，需要从施工材料、焊接环境、补强计算等等方面综合考虑。根据开孔处的应力不同，选择不同的补强技术，不仅要保证补强的操作发挥其应有的效果，同时要避免出现新的应力集中点。在进行开孔补强的操作时，要注意操作的安全，防止出现施工的事故。要不断的提升补强设计的施工方法，让压力容器为我国的化工行业做出更多的贡献。
参考文献
[1] 兰俊平.压力容器开孔补强的探讨田实验室科学，2008，（03）.
[2] 柏文广，刘宜国.浅析压力容器开孔补强设计方法[J].化学工程与装备，2009（11）.
[3] 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.
[4] 刘亚明.开孔补强设计在压力容器设计中的应用探析[J].河南科技，2013，09：42.
[5] 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.