第二节 开孔与补强
一、开孔类型及对容器的影响
1.开孔类型
为了实现正常的操作和安装维修，需要在设备的筒体和封头上开设各种孔。如物料进出口接管孔，安装安全阀、压力表、液面计的开孔，为了容器内部零件的安装和检修方便所开的人孔、手孔等。
2.开孔对容器的影响
开孔会造成容器的整体强度削弱，设备结构的连续性被破坏，使孔边局部区域内出现应力集中。应力集中会影响压力容器的安全，因此，需要尽量降低应力集中，孔周围的应力集中现象有如下特点。
（1）开孔附近的应力集中具有局部性，其作用范围极为有限。
（2）开孔孔径的相对尺寸（d/D）越大，应力集中系数越大，所以开孔不宜过大。
（3）被开孔壳体的d/D越小，应力集中系数越大，将开孔四周壳体厚度增大，则可以明显地降低应力集中系数。
（4）增大接管壁厚也可以降低应力集中系数，因此可以用增厚的接管来缓解应力集中程度。
（5）在球壳上开孔，应力集中程度较圆筒上开孔低，因此，在椭球封头上开孔优于在筒体上开孔。
二、对容器开孔的限制
综上所述，压力容器开孔后会引起应力集中，从而削弱容器强度。为降低开孔附近的应力集中，必须采取适当的补强措施。根据国家标准GB 150 —2011《压力容器》规定，按等面积补强准则进行补强时，开孔尺寸按以下限制开孔。
（1）当圆筒内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤Di/2，且d≤520mm；当圆筒内径Di＞1500mm时，开孔最大直径d≤Di/3，且d≤1000mm。
（2）凸形封头或球壳上开孔时，开孔最大直径d≤Di/2。
（3）锥壳上开孔时，开孔最大直径d≤Di/3，Di为开孔中心处锥壳内径。
（4）在椭圆形或碟形封头的过渡区开孔时，孔的中心线宜垂直封头表面。
若开孔直径超出以上范围，应按特殊开孔处理。GB 150 —2011《压力容器》还规定，壳体开孔满足下列全部条件时，可不另行补强（可不采取专门的补强措施）。
（1）设计压力不超过2.5MPa。
（2）两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍。
（3）接管外径不超过89mm。
不另行补强的接管外径及其最小壁厚如表2-9所示。
表2-9 不另行补强的接管外径及其最小壁厚
此外，开孔还应注意满足下列要求。
（1）尽量不在焊缝上开孔。如果必须在焊缝上开孔时，则在以开孔中心为圆心，以1.5倍开孔直径为半径的圆中所包含的焊缝，必须进行100%的无损探伤。
（2）在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线应垂直于封头表面。
三、补强结构
为了保证压力容器在开孔后能安全运行，常采用补强圈补强、厚壁接管补强和整体锻件补强来降低开孔附近的应力集中。三种开孔补强常见结构如图2-5所示。
图2-5 三种开孔补强结构图
1.补强圈补强
补强圈补强是在开孔周围焊上一块圆环状金属来补强的一种方法，也称贴板补强，焊在设备壳体上的圆环状的金属称为补强圈。补强圈可以是一对夹壁焊在器壁开孔周围，由于施焊条件的限制，也可以采用把补强圈放在容器外部进行单面补强，如图2-5（a）、（b）所示。补强圈补强结构简单、价格低廉、使用经验成熟，广泛用于中压、低压容器上。但它与补强管补强和整体锻件补强相比存在以下缺点。
（1）补强圈所提供的补强金属过于分散，补强效率不高。
（2）补强圈与壳体之间存在一层空气，传热效果差，在壳体与补强圈之间容易引起热应力。
（3）补强圈与壳体焊接时，焊件刚性大，焊缝在冷却时易形成裂纹，尤其是高强度钢，对焊接裂纹比较敏感，更易开裂。
（4）由于补强圈没有和壳体或接管金属真正熔合成一个整体，因而抗疲劳性能差。
由于存在上述缺点，采用补强圈补强的压力容器必须同时满足以下条件。
（1）壳体材料的标准抗拉强度不超过540MPa，以免出现焊接裂纹。
（2）补强圈的厚度不超过被补强壳体的名义壁厚的1.5倍。
（3）被补强壳体的名义壁厚不大于38mm。
此外，在高温、高压或载荷反复波动的压力容器上，最好不要采用补强圈补强。
2.厚壁接管补强
厚壁接管补强也称补强管补强，即利用在补强有效区内的接管管壁多余金属截面积，补足被挖去的壳壁承受应力所必需的金属截面积，如图2-5（d）～（f）所示。这种结构由于用来补强的金属全部集中在最大应力区域，因而能比较有效地降低开孔周围的应力集中。图2-5（f）所示的结构比图2-5（d）、（e）效果更好，但内伸长度要适当，如过长，补强效果反而会降低。补强管补强结构简单、焊缝少、焊接质量容易检验、效果好，已广泛使用于各种化工设备，特别是高强度低合金钢制造的化工设备一般都采用此结构补强。对于重要设备，焊接处还应采用全焊透结构。
3.整体锻件补强
整体锻件补强是在开孔处焊上一个特制的整体锻件，结构如图2-5（g）～（i）所示。它相当于把补强圈金属与开孔周围的壳体金属熔合在一起。补强金属是全部集中在应力最大的部位，而且它与被开孔的壳体之间采用的都是对接接头，受力状态较好，因此，整体锻件补强的补强效果最好，同时能使焊缝及热影响区远离最大应力点的位置，故抗疲劳性能好。若采用密集补强的方式，并加大过渡圆角半径，则补强效果更好。整体锻件补强的缺点是机械加工量大，锻件来源较补强接管困难，因此多用在有较高要求的压力容器和设备上。
四、标准补强圈及其选用
1.标准补强圈
为了使补强设计和制造更为方便，中国对常见的补强圈及补强管制定了相应的标准，补强圈标准为JB/T 4736—2002，补强管标准为HG/T 21630 —1990。标准补强圈的直径和厚度是按等面积补强法计算而得出的。
2.标准补强圈结构
根据内侧焊接坡口的不同，补强圈分为A、B、C、D、E、F六种结构，如图2-6所示。
（1）A型适用于无疲劳、无低温及大的温度梯度的一类压力容器，且要求设备内有较好的施焊条件。
（2）B型适用于中压、低压及内部有腐蚀的工况，不适用于高温、低温、大的温度梯度及承受疲劳载荷的设备。δ取管子名义壁厚的0.7倍，一般δnt=δn/2（δnt为接管名义厚度；δn为壳体名义厚度）。
（3）C型适用于低温、介质有毒或有腐蚀性的操作工况，采用全焊透结构，要求当δn≤16 mm时，δnt≥δn/2；当δn＞16mm时，δnt≥8mm。
图2-6 标准补强圈结构
（4）D型适用于壳体内不具备施焊条件或进入设备施焊不便的场合，采用全焊透结构，要求当δn≤16mm时，δnt≥δn/2；当δn＞16mm时，δnt≥8mm。
（5）E型适用于储存有毒介质或腐蚀介质的容器，采用全焊透结构，要求当δn≤16mm时，δnt≥δn/2；当δn＞16mm时，δnt≥8mm。
（6）F型适用于中温、低温、中压容器及盛装腐蚀介质的容器，要求当δn≤16mm时，δnt≥δn/2，当δn＞16mm时，δnt≥8mm，且接管公称直径DN≤150mm。
补强圈焊接后，补强圈和器壁要求很好地贴合，使其与器壁一起受力，否则起不到补强作用。为检验焊缝的紧密性，在补强圈上设置有一个M10的螺纹孔，如图2-6所示。当补强圈焊接后，可以由此通入0.4～0.5MPa的压缩空气，并通过在补强圈焊缝周围涂上肥皂液的方法检查焊接质量。
3.标准补强圈的选用
若需采用补强圈补强，可采用以下程序来选择标准补强圈。
（1）确定补强圈的尺寸。
（2）由设备的工艺参数决定补强圈的结构。
（3）补强圈材料选取与被补强壳体材料相同。
五、人孔、手孔及接管
1.人孔和手孔
为了设备内部构件的安装和检修方便，需要在设备上设置人孔或手孔。当容器的内径为450～900mm时，一般不考虑设置人孔，可开设1～2个手孔；内径大于900mm时至少应设置一个人孔；设备内径大于2500mm时，顶盖与筒体上至少应各开设一个人孔，常见的常压快开人孔如图2-7所示，常见受压人孔如图2-8所示。
图2-7 常压快开人孔
图2-8 受压人孔
2.接管
化工设备上使用的接管大致可分为两类，一类是通过接管与供物料进出的工艺管道相连接，这类接管一般都是带法兰的接管，直径较粗；另一类接管是为了控制工艺操作过程，在设备上需要装设一些接管，以便和压力表、温度计、液面计等相连接。此类接管直径较小，可用带法兰的短接管，也可用带内、外螺纹的短管直接焊在设备上。