壓力管道開孔補(bǔ)強(qiáng)分析

1、壓力管道開孔補(bǔ)強(qiáng)分析胡長(zhǎng)慶 陳 凌 (中冶賽迪公司動(dòng)力設(shè)計(jì)部動(dòng)力研究室 重慶 400013 )摘要 針對(duì)冶金行業(yè)大管道開孔的補(bǔ)強(qiáng)，本文通過(guò)Ansys11.0對(duì)冶金行業(yè)中常見的人字接管和斜接管進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)分析，詳細(xì)比較了不同補(bǔ)強(qiáng)方式對(duì)接管結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的影響，為冶金行業(yè)接管補(bǔ)強(qiáng)的選擇提供了理論依據(jù)，具有較為重要的意義。關(guān)鍵詞 人字接管 斜接管 等面積補(bǔ)強(qiáng) 控制變形補(bǔ)強(qiáng)1 引言管道結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于冶金、動(dòng)力、石油、化工及機(jī)械等行業(yè)，是許多工廠的重要組成部分。為了滿足使用需要，管道上通常需要開孔接管或連接三通，這樣就造成管道的不連續(xù)，局部存在應(yīng)力集中。對(duì)于冶金行業(yè)來(lái)說(shuō)，存在大量管道與管道之間的斜接以及連通

2、結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)形式相對(duì)比較復(fù)雜，在研究中除了考慮載荷工況、直徑大小外，還需要考慮接管交角對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，目前對(duì)其的應(yīng)力分析主要靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行1,2,3；另外，冶金行業(yè)里的接管大都直徑較大，管道開孔相貫處的強(qiáng)度削弱極為明顯。因此，研究管道開孔的補(bǔ)強(qiáng)，是具有較為重要的實(shí)際意義的。本文以兩個(gè)工程實(shí)例4,5為對(duì)象，對(duì)冶金行業(yè)中常見的人字接管和斜接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為冶金行業(yè)接管補(bǔ)強(qiáng)的選擇提供了理論依據(jù)。2 研究背景開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是壓力容器設(shè)計(jì)6中的一個(gè)重要部分，開孔除削弱器壁的強(qiáng)度外，在殼體和接管的連接處，由于結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，會(huì)產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致該區(qū)域薄弱而易發(fā)生失效，給壓力容器

3、的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患甚至出現(xiàn)事故。在冶金工程的管道設(shè)計(jì)中，管道往往開孔就是大開孔，或者接管主管等直徑，或者接管比主管略小，在這些情況下，接管和主管的相貫處強(qiáng)度削弱極為明顯7。圖1為寶鋼工程中煤氣管道兩種典型的接管方式示意，(a)為人字接管，(b)為斜接管。圖中(a)、(b)所示接管均為大直徑接管，(a)中利用人字接管將DN2200的大管分成兩段DN1200的小管，(b)中利用DN1600的30°斜接管連接DN1800和DN1600的兩段管道。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，圖1(a)所示人字接管在接管相交的“褲襠”處出現(xiàn)極高的應(yīng)力，圖1(b) 所示斜接管在斜接管與小管相交的銳角端出現(xiàn)斷裂事故，事故

4、發(fā)生位置如圖1所示。為分析上述兩種事故的原因，本文以ansys11.0為工具，對(duì)圖1所示的兩種接管進(jìn)行了應(yīng)力分析，在此基礎(chǔ)上，全面詳細(xì)的比較了工程上各種補(bǔ)強(qiáng)方式的效果，為冶金行業(yè)接管補(bǔ)強(qiáng)的選擇提供了理論依據(jù)，具有較為重要的工程實(shí)際意義。事故處(a) (b)圖1 煤氣管道接管兩例3 事故分析針對(duì)圖1所示的兩類接管(a)、(b)，利用ansys11.0進(jìn)行了應(yīng)力分析，分析結(jié)果表明：1) 對(duì)圖1(a)的接管形式，最大應(yīng)力出現(xiàn)在接管相交的“褲襠”處，變形的最大處不和最大應(yīng)力處重合，出現(xiàn)在沿相貫線回轉(zhuǎn)約90°的地方，即圖(a)中的“肚臍”附近，其發(fā)生的機(jī)制為管道在內(nèi)壓作用下的“趨圓”變形特征。

5、2) 對(duì)圖1(b)的接管形式，在接管處的銳角部位，出現(xiàn)了很高的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力處和事故位置一致；變形的最大處出現(xiàn)在接管相貫處，部位為最大應(yīng)力處沿相貫線回轉(zhuǎn)約90°的鈍角部位附近，該部位在“內(nèi)壓趨圓”時(shí)顯然是最易變形。上述分析表明，對(duì)于人字接管和斜接管而言，由于幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)，管道壁厚不足，在承受應(yīng)力的情況下產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致斷裂，計(jì)算結(jié)果和實(shí)際的事故情況是吻合的。上述兩種接管形式局部應(yīng)力很高，故須做適當(dāng)?shù)拈_孔補(bǔ)強(qiáng)以降低接管區(qū)域的應(yīng)力集中。本文先從傳統(tǒng)的等面積法入手，在補(bǔ)強(qiáng)效果欠佳時(shí)再著眼于控制變形來(lái)控制應(yīng)力，效果明顯。4 等面積補(bǔ)強(qiáng)法管道的開孔補(bǔ)強(qiáng)傳統(tǒng)上多采用等面積法，其方

6、法是：對(duì)開孔而被削弱的部位補(bǔ)強(qiáng)加厚，補(bǔ)焊的面積應(yīng)等于開孔去掉的鋼板面積。圖1(a)人字接管的等面積補(bǔ)強(qiáng)方式見圖2，其中補(bǔ)強(qiáng)范圍(圖2(a)紅色區(qū)域、圖2(b)紅色區(qū)域、圖2(c)綠色區(qū)域、圖2(d)藍(lán)色區(qū)域)從(a)至(d)依次增大，計(jì)算結(jié)果見表1。(a) (b)(c)(d)圖2 人字接管等面積補(bǔ)強(qiáng)法示意圖表1 人字接管等面積補(bǔ)強(qiáng)效果一次二次應(yīng)力強(qiáng)度（MPa）應(yīng)力強(qiáng)度降低補(bǔ)強(qiáng)模型補(bǔ)強(qiáng)前2260方式120609圖2(a)方式2165027圖2(b)方式3141038圖2(c)方式492059圖2(d)由表1可見，隨著補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域的擴(kuò)大，局部應(yīng)力強(qiáng)度逐漸下降，但應(yīng)力強(qiáng)度最大值仍然很高。圖1(b)斜接管

7、的等面積補(bǔ)強(qiáng)方式見圖3，圖3所示為斜接管開孔處的補(bǔ)強(qiáng)范圍。圖3的計(jì)算結(jié)果見表2。由表2可見，盡管等面積補(bǔ)強(qiáng)可以使局部應(yīng)力強(qiáng)度迅速下降，但最大應(yīng)力仍然很高。表2 斜接管等面積補(bǔ)強(qiáng)效果一次二次應(yīng)力強(qiáng)度（MPa）應(yīng)力強(qiáng)度降低補(bǔ)強(qiáng)模型補(bǔ)強(qiáng)前1177補(bǔ)強(qiáng)后64345圖3圖3 斜接管等面積補(bǔ)強(qiáng)法示意圖綜上所述，對(duì)圖1所示的兩類接管(a)、(b)采用等面積補(bǔ)強(qiáng)方法補(bǔ)強(qiáng)，其效果均不理想。5 控制變形補(bǔ)強(qiáng)法控制變形法是通過(guò)對(duì)最大變形處進(jìn)行限制來(lái)達(dá)到減小局部應(yīng)力的目的，本次研究中分別采取桿單元和面單元對(duì)最大變形處進(jìn)行控制，分別模擬實(shí)際情況中用隔板、角鋼和加強(qiáng)筋進(jìn)行控制變形補(bǔ)強(qiáng)的情況。5.1 人字接管的控制變形補(bǔ)強(qiáng)

8、中間隔板人字接管的控制變形補(bǔ)強(qiáng)主要通過(guò)在最大變形位置處加中間隔板的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體如圖4所示。補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算結(jié)果見表3，從表3可以看出，人字接管采用加中間隔板來(lái)進(jìn)行控制變形補(bǔ)強(qiáng)后，應(yīng)力強(qiáng)度大幅降低，補(bǔ)強(qiáng)效果明顯。圖4 人字接管隔板補(bǔ)強(qiáng)示意圖表3 人字接管隔板補(bǔ)強(qiáng)效果一次二次應(yīng)力強(qiáng)度（MPa）應(yīng)力強(qiáng)度降低補(bǔ)強(qiáng)模型補(bǔ)強(qiáng)前2260補(bǔ)強(qiáng)后34685圖45.2 斜接管的控制變形補(bǔ)強(qiáng)斜接管的控制變形補(bǔ)強(qiáng)主要通過(guò)在最大變形位置處加隔板、角鋼以及加強(qiáng)筋來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體如圖5、圖6及圖7所示。 (a) 隔板不開孔 (b) 隔板開單孔 (c) 隔板開雙孔 (d) 隔板大面積開孔圖5 斜接管隔板補(bǔ)強(qiáng)示意圖6 斜接管角鋼補(bǔ)強(qiáng)

9、示意 圖7 斜接管加強(qiáng)筋補(bǔ)強(qiáng)示意圖5是采用隔板對(duì)斜接管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的示意圖。隔板補(bǔ)強(qiáng)用面單元進(jìn)行模擬，考慮煤氣管道中的氣體流量，隔板補(bǔ)強(qiáng)后必須留夠足夠的空間，為找出最優(yōu)的方法，采用了如下(a)(d)四種隔板補(bǔ)強(qiáng)方式進(jìn)行模擬，補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)果如表4所示。由表4可知，當(dāng)隔板開孔面積不大于50時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度大幅降低，補(bǔ)強(qiáng)效果明顯。圖6是采用角鋼對(duì)斜接管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的示意圖。角鋼補(bǔ)強(qiáng)用面單元進(jìn)行模擬，沿斜接管的相貫線加角鋼，角鋼用面單元模擬，角鋼的厚度由單元厚度控制，具體如圖6所示。角鋼補(bǔ)強(qiáng)法的效果主要受角鋼厚度的影響，分別取角鋼厚度為1、1.5、2、2.5倍壁厚進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表5所示。由表5可見，隨著角鋼厚度的增

10、大，補(bǔ)強(qiáng)效果的增加是明顯的，但應(yīng)力強(qiáng)度降低的幅度相比隔板補(bǔ)強(qiáng)顯得不足。表4 斜接管隔板補(bǔ)強(qiáng)效果開孔面積百分比一次二次應(yīng)力強(qiáng)度（MPa）應(yīng)力強(qiáng)度降低補(bǔ)強(qiáng)模型補(bǔ)強(qiáng)前1177方式10(不開孔)18684圖5(a)方式225%18884圖5(b)方式350%18584圖5(c)方式475%42764圖5(d)表5 斜接管角鋼補(bǔ)強(qiáng)效果角鋼厚度一次二次應(yīng)力強(qiáng)度（MPa）應(yīng)力強(qiáng)度降低補(bǔ)強(qiáng)前1177方式11倍壁厚44262方式21.5倍壁厚34771方式32倍壁厚28776方式42.5倍壁厚25678圖7是采用加強(qiáng)筋對(duì)斜接管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的示意圖。加強(qiáng)筋補(bǔ)強(qiáng)用桿單元進(jìn)行模擬，在最大變形處的相貫線上找出對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，再

11、連接成桿單元，見圖6。補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)果如表6所示。由表6可知，斜接管采用加強(qiáng)筋進(jìn)行控制變形補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度降低不多，補(bǔ)強(qiáng)效果不明顯。表6 斜接管加強(qiáng)筋補(bǔ)強(qiáng)效果一次二次應(yīng)力強(qiáng)度（MPa）應(yīng)力強(qiáng)度降低補(bǔ)強(qiáng)模型補(bǔ)強(qiáng)前1177補(bǔ)強(qiáng)后91722圖76 結(jié)論本文以兩個(gè)工程實(shí)例為對(duì)象，對(duì)冶金行業(yè)中常見的人字接管和斜接管的開孔補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得到如下結(jié)論： 1) 當(dāng)?shù)让娣e法的補(bǔ)強(qiáng)效果較差時(shí)，可以根據(jù)“內(nèi)壓趨圓”現(xiàn)象，找到變形最大處，試從控制變形的角度來(lái)控制應(yīng)力。 2) 對(duì)于人字接管，采用中間隔板進(jìn)行內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)，具有較好的補(bǔ)強(qiáng)效果。 3) 對(duì)于斜接管，采用隔板內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)和角鋼外補(bǔ)強(qiáng)均具有較好的補(bǔ)強(qiáng)效果，相比較而言，隔板

12、內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)效果更好，但對(duì)管道內(nèi)氣路可能產(chǎn)生不利影響，而角鋼外補(bǔ)強(qiáng)可在管道外部進(jìn)行，施工較為方便，且不影響管道內(nèi)工藝過(guò)程。 4) 對(duì)于斜接管，采用加強(qiáng)筋內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)效果較差。參考文獻(xiàn)1 馬愛梅, 鹿曉陽(yáng). 管道開孔接管和三通設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析J. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2007(7):5051.2 路民旭, 陳迎鋒, 董紹華等. 管道維修補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)J. 油氣儲(chǔ)運(yùn), 2005(24):130132.3 林楊杰, 桑芝富, 張?jiān)旅? 內(nèi)壓作用下斜接管結(jié)構(gòu)塑性極限載荷的試驗(yàn)研究J. 化工設(shè)備設(shè)計(jì), 1999, 36(6):1418. 4 陳凌. 寶鋼Corex工程斜接管分析R. 重慶: 中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司, 2007, 12.5 胡長(zhǎng)慶. 寶鋼Corex工程低壓煤氣管