壓力管道開孔補強分析

1、壓力管道開孔補強分析胡長慶 陳 凌 (中冶賽迪公司動力設計部動力研究室 重慶 400013 )摘要 針對冶金行業(yè)大管道開孔的補強，本文通過Ansys11.0對冶金行業(yè)中常見的人字接管和斜接管進行了補強分析，詳細比較了不同補強方式對接管結構應力集中的影響，為冶金行業(yè)接管補強的選擇提供了理論依據，具有較為重要的意義。關鍵詞 人字接管 斜接管 等面積補強 控制變形補強1 引言管道結構廣泛應用于冶金、動力、石油、化工及機械等行業(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)，局部存在應力集中。對于冶金行業(yè)來說，存在大量管道與管道之間的斜接以及連通

2、結構，這些結構形式相對比較復雜，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結構強度的影響，目前對其的應力分析主要靠經驗進行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度削弱極為明顯。因此，研究管道開孔的補強，是具有較為重要的實際意義的。本文以兩個工程實例4,5為對象，對冶金行業(yè)中常見的人字接管和斜接管的開孔補強進行了詳細的分析，為冶金行業(yè)接管補強的選擇提供了理論依據。2 研究背景開孔補強設計是壓力容器設計6中的一個重要部分，開孔除削弱器壁的強度外，在殼體和接管的連接處，由于結構的連續(xù)性被破壞，會產生很高的局部應力集中，導致該區(qū)域薄弱而易發(fā)生失效，給壓力容器

3、的安全運行帶來隱患甚至出現事故。在冶金工程的管道設計中，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。在實際的工程應用中，圖1(a)所示人字接管在接管相交的“褲襠”處出現極高的應力，圖1(b) 所示斜接管在斜接管與小管相交的銳角端出現斷裂事故，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，對圖1所示的兩種接管進行了應力分析，在此基礎上，全面詳細的比較了工程上各種補強方式的效果，為冶金行業(yè)接管補強的選擇提供了理論依據，具有較為重要的工程實際意義。事故處(a) (b)圖1 煤氣管道接管兩例3 事故分析針對圖1所示的兩類接管(a)、(b)，利用ansys11.0進行了應力分析，分析結果表明：1) 對圖1(a)的接管形式，最大應力出現在接管相交的“褲襠”處，變形的最大處不和最大應力處重合，出現在沿相貫線回轉約90°的地方，即圖(a)中的“肚臍”附近，其發(fā)生的機制為管道在內壓作用下的“趨圓”變形特征。

5、2) 對圖1(b)的接管形式，在接管處的銳角部位，出現了很高的應力集中，最大應力處和事故位置一致；變形的最大處出現在接管相貫處，部位為最大應力處沿相貫線回轉約90°的鈍角部位附近，該部位在“內壓趨圓”時顯然是最易變形。上述分析表明，對于人字接管和斜接管而言，由于幾何結構不連續(xù)，管道壁厚不足，在承受應力的情況下產生了較大的應力集中，導致斷裂，計算結果和實際的事故情況是吻合的。上述兩種接管形式局部應力很高，故須做適當的開孔補強以降低接管區(qū)域的應力集中。本文先從傳統(tǒng)的等面積法入手，在補強效果欠佳時再著眼于控制變形來控制應力，效果明顯。4 等面積補強法管道的開孔補強傳統(tǒng)上多采用等面積法，其方

6、法是：對開孔而被削弱的部位補強加厚，補焊的面積應等于開孔去掉的鋼板面積。圖1(a)人字接管的等面積補強方式見圖2，其中補強范圍(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)藍色區(qū)域)從(a)至(d)依次增大，計算結果見表1。(a) (b)(c)(d)圖2 人字接管等面積補強法示意圖表1 人字接管等面積補強效果一次二次應力強度（MPa）應力強度降低補強模型補強前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，隨著補強區(qū)域的擴大，局部應力強度逐漸下降，但應力強度最大值仍然很高。圖1(b)斜接管

7、的等面積補強方式見圖3，圖3所示為斜接管開孔處的補強范圍。圖3的計算結果見表2。由表2可見，盡管等面積補強可以使局部應力強度迅速下降，但最大應力仍然很高。表2 斜接管等面積補強效果一次二次應力強度（MPa）應力強度降低補強模型補強前1177補強后64345圖3圖3 斜接管等面積補強法示意圖綜上所述，對圖1所示的兩類接管(a)、(b)采用等面積補強方法補強，其效果均不理想。5 控制變形補強法控制變形法是通過對最大變形處進行限制來達到減小局部應力的目的，本次研究中分別采取桿單元和面單元對最大變形處進行控制，分別模擬實際情況中用隔板、角鋼和加強筋進行控制變形補強的情況。5.1 人字接管的控制變形補強

8、中間隔板人字接管的控制變形補強主要通過在最大變形位置處加中間隔板的方式來實現，具體如圖4所示。補強的計算結果見表3，從表3可以看出，人字接管采用加中間隔板來進行控制變形補強后，應力強度大幅降低，補強效果明顯。圖4 人字接管隔板補強示意圖表3 人字接管隔板補強效果一次二次應力強度（MPa）應力強度降低補強模型補強前2260補強后34685圖45.2 斜接管的控制變形補強斜接管的控制變形補強主要通過在最大變形位置處加隔板、角鋼以及加強筋來實現，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 斜接管隔板補強示意圖6 斜接管角鋼補強

9、示意 圖7 斜接管加強筋補強示意圖5是采用隔板對斜接管進行補強的示意圖。隔板補強用面單元進行模擬，考慮煤氣管道中的氣體流量，隔板補強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)四種隔板補強方式進行模擬，補強的結果如表4所示。由表4可知，當隔板開孔面積不大于50時，應力強度大幅降低，補強效果明顯。圖6是采用角鋼對斜接管進行補強的示意圖。角鋼補強用面單元進行模擬，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。角鋼補強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倍壁厚進行計算，結果如表5所示。由表5可見，隨著角鋼厚度的增

10、大，補強效果的增加是明顯的，但應力強度降低的幅度相比隔板補強顯得不足。表4 斜接管隔板補強效果開孔面積百分比一次二次應力強度（MPa）應力強度降低補強模型補強前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 斜接管角鋼補強效果角鋼厚度一次二次應力強度（MPa）應力強度降低補強前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是采用加強筋對斜接管進行補強的示意圖。加強筋補強用桿單元進行模擬，在最大變形處的相貫線上找出對應的節(jié)點，再

11、連接成桿單元，見圖6。補強的結果如表6所示。由表6可知，斜接管采用加強筋進行控制變形補強時，應力強度降低不多，補強效果不明顯。表6 斜接管加強筋補強效果一次二次應力強度（MPa）應力強度降低補強模型補強前1177補強后91722圖76 結論本文以兩個工程實例為對象，對冶金行業(yè)中常見的人字接管和斜接管的開孔補強進行了詳細的分析，得到如下結論： 1) 當等面積法的補強效果較差時，可以根據“內壓趨圓”現象，找到變形最大處，試從控制變形的角度來控制應力。 2) 對于人字接管，采用中間隔板進行內補強，具有較好的補強效果。 3) 對于斜接管，采用隔板內補強和角鋼外補強均具有較好的補強效果，相比較而言，隔板

12、內補強效果更好，但對管道內氣路可能產生不利影響，而角鋼外補強可在管道外部進行，施工較為方便，且不影響管道內工藝過程。 4) 對于斜接管，采用加強筋內補強效果較差。參考文獻1 馬愛梅, 鹿曉陽. 管道開孔接管和三通設計及應力分析J. 機械設計與制造, 2007(7):5051.2 路民旭, 陳迎鋒, 董紹華等. 管道維修補強技術及其發(fā)展趨勢J. 油氣儲運, 2005(24):130132.3 林楊杰, 桑芝富, 張月明. 內壓作用下斜接管結構塑性極限載荷的試驗研究J. 化工設備設計, 1999, 36(6):1418. 4 陳凌. 寶鋼Corex工程斜接管分析R. 重慶: 中冶賽迪工程技術股份有限公司, 2007, 12.5 胡長慶. 寶鋼Corex工程低壓煤氣管