第二節(jié) 開孔與補強
一、開孔類型及對容器的影響
1.開孔類型
為了實現(xiàn)正常的操作和安裝維修，需要在設備的筒體和封頭上開設各種孔。如物料進出口接管孔，安裝安全閥、壓力表、液面計的開孔，為了容器內部零件的安裝和檢修方便所開的人孔、手孔等。
2.開孔對容器的影響
開孔會造成容器的整體強度削弱，設備結構的連續(xù)性被破壞，使孔邊局部區(qū)域內出現(xiàn)應力集中。應力集中會影響壓力容器的安全，因此，需要盡量降低應力集中，孔周圍的應力集中現(xiàn)象有如下特點。
（1）開孔附近的應力集中具有局部性，其作用范圍極為有限。
（2）開孔孔徑的相對尺寸（d/D）越大，應力集中系數(shù)越大，所以開孔不宜過大。
（3）被開孔殼體的d/D越小，應力集中系數(shù)越大，將開孔四周殼體厚度增大，則可以明顯地降低應力集中系數(shù)。
（4）增大接管壁厚也可以降低應力集中系數(shù)，因此可以用增厚的接管來緩解應力集中程度。
（5）在球殼上開孔，應力集中程度較圓筒上開孔低，因此，在橢球封頭上開孔優(yōu)于在筒體上開孔。
二、對容器開孔的限制
綜上所述，壓力容器開孔后會引起應力集中，從而削弱容器強度。為降低開孔附近的應力集中，必須采取適當?shù)难a強措施。根據(jù)國家標準GB 150 —2011《壓力容器》規(guī)定，按等面積補強準則進行補強時，開孔尺寸按以下限制開孔。
（1）當圓筒內徑Di≤1500mm時，開孔最大直徑d≤Di/2，且d≤520mm；當圓筒內徑Di＞1500mm時，開孔最大直徑d≤Di/3，且d≤1000mm。
（2）凸形封頭或球殼上開孔時，開孔最大直徑d≤Di/2。
（3）錐殼上開孔時，開孔最大直徑d≤Di/3，Di為開孔中心處錐殼內徑。
（4）在橢圓形或碟形封頭的過渡區(qū)開孔時，孔的中心線宜垂直封頭表面。
若開孔直徑超出以上范圍，應按特殊開孔處理。GB 150 —2011《壓力容器》還規(guī)定，殼體開孔滿足下列全部條件時，可不另行補強（可不采取專門的補強措施）。
（1）設計壓力不超過2.5MPa。
（2）兩相鄰開孔中心的間距（對曲面間距以弧長計算）應不小于兩孔直徑之和的兩倍。
（3）接管外徑不超過89mm。
不另行補強的接管外徑及其最小壁厚如表2-9所示。
表2-9 不另行補強的接管外徑及其最小壁厚
此外，開孔還應注意滿足下列要求。
（1）盡量不在焊縫上開孔。如果必須在焊縫上開孔時，則在以開孔中心為圓心，以1.5倍開孔直徑為半徑的圓中所包含的焊縫，必須進行100%的無損探傷。
（2）在橢圓形或碟形封頭過渡部分開孔時，其孔的中心線應垂直于封頭表面。
三、補強結構
為了保證壓力容器在開孔后能安全運行，常采用補強圈補強、厚壁接管補強和整體鍛件補強來降低開孔附近的應力集中。三種開孔補強常見結構如圖2-5所示。
圖2-5 三種開孔補強結構圖
1.補強圈補強
補強圈補強是在開孔周圍焊上一塊圓環(huán)狀金屬來補強的一種方法，也稱貼板補強，焊在設備殼體上的圓環(huán)狀的金屬稱為補強圈。補強圈可以是一對夾壁焊在器壁開孔周圍，由于施焊條件的限制，也可以采用把補強圈放在容器外部進行單面補強，如圖2-5（a）、（b）所示。補強圈補強結構簡單、價格低廉、使用經驗成熟，廣泛用于中壓、低壓容器上。但它與補強管補強和整體鍛件補強相比存在以下缺點。
（1）補強圈所提供的補強金屬過于分散，補強效率不高。
（2）補強圈與殼體之間存在一層空氣，傳熱效果差，在殼體與補強圈之間容易引起熱應力。
（3）補強圈與殼體焊接時，焊件剛性大，焊縫在冷卻時易形成裂紋，尤其是高強度鋼，對焊接裂紋比較敏感，更易開裂。
（4）由于補強圈沒有和殼體或接管金屬真正熔合成一個整體，因而抗疲勞性能差。
由于存在上述缺點，采用補強圈補強的壓力容器必須同時滿足以下條件。
（1）殼體材料的標準抗拉強度不超過540MPa，以免出現(xiàn)焊接裂紋。
（2）補強圈的厚度不超過被補強殼體的名義壁厚的1.5倍。
（3）被補強殼體的名義壁厚不大于38mm。
此外，在高溫、高壓或載荷反復波動的壓力容器上，最好不要采用補強圈補強。
2.厚壁接管補強
厚壁接管補強也稱補強管補強，即利用在補強有效區(qū)內的接管管壁多余金屬截面積，補足被挖去的殼壁承受應力所必需的金屬截面積，如圖2-5（d）～（f）所示。這種結構由于用來補強的金屬全部集中在最大應力區(qū)域，因而能比較有效地降低開孔周圍的應力集中。圖2-5（f）所示的結構比圖2-5（d）、（e）效果更好，但內伸長度要適當，如過長，補強效果反而會降低。補強管補強結構簡單、焊縫少、焊接質量容易檢驗、效果好，已廣泛使用于各種化工設備，特別是高強度低合金鋼制造的化工設備一般都采用此結構補強。對于重要設備，焊接處還應采用全焊透結構。
3.整體鍛件補強
整體鍛件補強是在開孔處焊上一個特制的整體鍛件，結構如圖2-5（g）～（i）所示。它相當于把補強圈金屬與開孔周圍的殼體金屬熔合在一起。補強金屬是全部集中在應力最大的部位，而且它與被開孔的殼體之間采用的都是對接接頭，受力狀態(tài)較好，因此，整體鍛件補強的補強效果最好，同時能使焊縫及熱影響區(qū)遠離最大應力點的位置，故抗疲勞性能好。若采用密集補強的方式，并加大過渡圓角半徑，則補強效果更好。整體鍛件補強的缺點是機械加工量大，鍛件來源較補強接管困難，因此多用在有較高要求的壓力容器和設備上。
四、標準補強圈及其選用
1.標準補強圈
為了使補強設計和制造更為方便，中國對常見的補強圈及補強管制定了相應的標準，補強圈標準為JB/T 4736—2002，補強管標準為HG/T 21630 —1990。標準補強圈的直徑和厚度是按等面積補強法計算而得出的。
2.標準補強圈結構
根據(jù)內側焊接坡口的不同，補強圈分為A、B、C、D、E、F六種結構，如圖2-6所示。
（1）A型適用于無疲勞、無低溫及大的溫度梯度的一類壓力容器，且要求設備內有較好的施焊條件。
（2）B型適用于中壓、低壓及內部有腐蝕的工況，不適用于高溫、低溫、大的溫度梯度及承受疲勞載荷的設備。δ取管子名義壁厚的0.7倍，一般δnt=δn/2（δnt為接管名義厚度；δn為殼體名義厚度）。
（3）C型適用于低溫、介質有毒或有腐蝕性的操作工況，采用全焊透結構，要求當δn≤16 mm時，δnt≥δn/2；當δn＞16mm時，δnt≥8mm。
圖2-6 標準補強圈結構
（4）D型適用于殼體內不具備施焊條件或進入設備施焊不便的場合，采用全焊透結構，要求當δn≤16mm時，δnt≥δn/2；當δn＞16mm時，δnt≥8mm。
（5）E型適用于儲存有毒介質或腐蝕介質的容器，采用全焊透結構，要求當δn≤16mm時，δnt≥δn/2；當δn＞16mm時，δnt≥8mm。
（6）F型適用于中溫、低溫、中壓容器及盛裝腐蝕介質的容器，要求當δn≤16mm時，δnt≥δn/2，當δn＞16mm時，δnt≥8mm，且接管公稱直徑DN≤150mm。
補強圈焊接后，補強圈和器壁要求很好地貼合，使其與器壁一起受力，否則起不到補強作用。為檢驗焊縫的緊密性，在補強圈上設置有一個M10的螺紋孔，如圖2-6所示。當補強圈焊接后，可以由此通入0.4～0.5MPa的壓縮空氣，并通過在補強圈焊縫周圍涂上肥皂液的方法檢查焊接質量。
3.標準補強圈的選用
若需采用補強圈補強，可采用以下程序來選擇標準補強圈。
（1）確定補強圈的尺寸。
（2）由設備的工藝參數(shù)決定補強圈的結構。
（3）補強圈材料選取與被補強殼體材料相同。
五、人孔、手孔及接管
1.人孔和手孔
為了設備內部構件的安裝和檢修方便，需要在設備上設置人孔或手孔。當容器的內徑為450～900mm時，一般不考慮設置人孔，可開設1～2個手孔；內徑大于900mm時至少應設置一個人孔；設備內徑大于2500mm時，頂蓋與筒體上至少應各開設一個人孔，常見的常壓快開人孔如圖2-7所示，常見受壓人孔如圖2-8所示。
圖2-7 常壓快開人孔
圖2-8 受壓人孔
2.接管
化工設備上使用的接管大致可分為兩類，一類是通過接管與供物料進出的工藝管道相連接，這類接管一般都是帶法蘭的接管，直徑較粗；另一類接管是為了控制工藝操作過程，在設備上需要裝設一些接管，以便和壓力表、溫度計、液面計等相連接。此類接管直徑較小，可用帶法蘭的短接管，也可用帶內、外螺紋的短管直接焊在設備上。