管道焊接支管連接的補強及設計

秦素亞　中國石油工程建設公司華東設計分公司　北京　100101

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管道焊接支管連接的補強及設計

秦素亞*中國石油工程建設公司華東設計分公司北京100101

摘要配管設計中，當支管連接的分支尺寸超出標準件范圍或特殊管道采用標準件有局限時，在主管直接焊接支管是常見的做法。由于開孔會削弱主管強度，需要對開口處進行詳細核算以確定是否需要補強。文章綜合ASME、GB、SH等標準對管道補強的相關規(guī)定，介紹焊接支管是否需要補強的兩種判斷方法，同時確定了焊接支管補強形式及計算補強面積，并結合實際生產案例對管道焊接支管連接是否需要開孔補強及補強圈的計算進行詳細解析。最后提出焊接支管連接在實際應用中應注意的事項及等面積補強原則的局限性。

關鍵詞支管連接焊接支管開口焊等面積補強

*秦素亞：工程師。2008年畢業(yè)于中國石油大學(北京)材料學專業(yè)獲碩士學位。主要從事煉油化工管道設計工作。

聯(lián)系電話：(010)58170109，E-mail：bj-qinsuya@cnpccei.cn。

在配管設計中，管道上支管連接是最常見的結構形式，支管連接方式的確定為管道設計重要內容。常見的支管連接結構型式有三類[1]：① 整體管件型。主管與支管通過三通管件連接；② 加強管接頭型。主管開孔，通過支管連接件與支管連接；③ 焊接支管型。主管開孔，支管直接焊接于主管。

主管與支管連接處優(yōu)先選擇標準管件(如三通、支管臺等)是管道設計的常規(guī)做法，但對于受力不太苛刻，或分支尺寸超過標準件范圍的情況，可采用在主管上直接開孔并接出分支管方法。這種方法既可省去較貴的三通等標準管件，又可減少管道施工的焊縫數量，無疑是比較經濟的。同時對于火炬放空總管，凝結水管要求分支管與主管成45°角，此時無現成標準件，一般采用焊接支管進行分支連接。

由于標準管件的強度設計是由制造商完成的，并以其許用壓力值滿足相應的應用標準定義為原則，管道設計一般不需要再核算其強度。但對于焊接支管，其連接的主管本身必須開孔，從而使主管強度降低，其承壓能力下降。當主管強度削弱達到某一值時，就應考慮分支處的補強問題，因此焊接支管的補強校核是管道設計中重要的環(huán)節(jié)。

1焊接支管補強的判斷

在設計工作中，焊接支管的補強計算可以遵循ASME B31.3/B31.4[2,3]、GB/T 20801[4]、SH/T 3059[5]、GB 50316[6]等的相關規(guī)定。其中，美國輸油管道規(guī)范ASME B31.4可以說是世界范圍內通用的管道工程規(guī)范，GB/T 20801、SH/T 3059、GB 50316結合ASME B31.3/B31.4對開孔后管道的有效補強范圍和補強要求做了相關規(guī)定。本文將結合上述規(guī)范介紹兩種判斷焊接支管是否補強的方法。

1.1環(huán)向應力與管材屈服強度比(σθ/σs)

在管道分支設計時，按ASME B31.4《液化烴和其他液體管線輸送系統(tǒng)》的相關規(guī)定，焊接支管的連接結構形式可以按表1 選擇。

表1　焊接支管連接結構形式

注：(1)當不采用三通、四通或整體加強時，應采用環(huán)繞主管的加強構件。嚴禁采用補強圈、局部鞍板或其他局部補強構件。(2)補強構件可采用全環(huán)繞型、補強圈或局部鞍板型，或焊接高壓管接頭。(3)公稱直徑小于或等于50 mm的支管連接用開孔不用補強，但對經常承受振動和其他外力的小支管，應采取適當的加強措施。(4)不強制規(guī)定開孔補強，但對承受苛刻外載荷的工況可能需要補強。(5)當需要設置補強構件，且支管直徑要求補強構件圍繞主管超過半周時，不論計算環(huán)向應力大小均應采用全環(huán)繞型補強構件、三通、四通或整體加強。

從表1及備注中可見：環(huán)向應力與管材屈服強度的比值(σθ/σs)、支管外直徑Db與主管外直徑Dh的比值(Db/Dh)，兩者是影響支管連接是否需要補強及補強形式的主要因素。

環(huán)向應力的計算公式：

(1)

管道環(huán)向應力計算后，可根據選用的管材查相應標準下鋼管的屈服強度σs來計算σθ/σs；根據支管開孔直徑與主管公稱直徑計算Db/Dh，結合兩個比值，進行初步判斷。

1.2等面積補強判斷法

補強面積的確定原則是等面積補強，即挖去多少金屬，就補多少金屬，這樣做的目的雖不能消除應力集中的影響，但可以緩解應力集中的影響，降低應力集中區(qū)的應力水平。判定補強足夠的標準是: 開支管剖面上所有的有效補強面積之和，不小于開孔所削弱的承壓所需面積[7]。計算公式：

A2+A3+A4+A5≥A1

每部分的面積計算公式在ASME B31.3/B31.4、GB/T 20801、SH/T 3059、GB 50316中都用詳細的規(guī)定，結合已知參數：主管、支管的計算厚度及公稱直徑，名義厚度，腐蝕裕量，材料厚度負偏差，即可算出A1、A2和A3的面積。

實際判斷是否需要補強時是沒有加補強板的，故A4=0；一般情況下，如果補強區(qū)內沒有已設的補強金屬，而焊縫金屬起到的補強作用可以忽略不計(因面積較小)，此時A5=0。因此判斷管道開口焊是否需要補強只需要將(A2+A3)與A1作比較即可。若之和大于A1則不需要補強；否則，則應補強。

2案例說明

以某煉化企業(yè)具體管道分支設計為例來說明焊接支管連接判斷是否需要補強及補強計算。

2.1案例1

某爐管(材質：15CrMo)主管開一個沿主管45°軸向傾斜的分支管道，具體設計條件見表2，判斷焊接支管后是否需要補強。

2.1.1判斷方法1

(1)計算σθ/σs。

表2　管道主要設計條件

由式(1)計算σθ，計算出環(huán)向應力為26.4MPa，查GB/T 20801.2 表A.1，該15CrMo管的屈服強度σs為235MPa，σθ/σs=0.11。

(2)計算Db/Dh。

根據表2中的參數計算：

Db/Dh=0.52

結合σθ/σs及Db/Dh查表1，可見焊接支管結構應按照表中(4)、(5)的要求。結合實際工況，該設計條件下的管道不屬于承受苛刻外載荷的工況，故而不用補強，該接管開孔已滿足要求。因此后面的(5)要求可不用執(zhí)行。

2.1.2判斷方法2

(1)計算主管及支管的計算厚度。

查GB/T20801.2 附錄A中表A.1，S=121MPa；表A.3，Φ=1.0；GB/T20801.3表16，Y=0.4，輸入已知參數，得出計算厚度：主管th=1.8mm；支管tb=0.94mm。

(2)計算補強范圍寬度及主管外側補強范圍高度。

由GB/T20801.3中 6.7.1部分規(guī)定：

d1sinβ=Db-2(Tb-C)

d2=max(d1,Teb+Teh+d1/2)

L4=min(2.5Teh, 2.5Teb)

輸入參數，計算得d1=152.7mm ；d2= max(152.7，83.9)=108mm；L4=min(11.25,7.5)=7.5mm。

(3)計算面積A1、A2、A3。

由GB/T20801.3中6.7.1部分公式(15)、(17)和(18)得：

A1=thd1(2-sinβ)=1.8×108(2-sin45°)

=355.4 mm2

A2=(2d2-d1)(Teh-th)

=152.7(4.5-1.8)=412.3 mm2

A3=2L4(Teb-tb)/sinβ

=2×7.5×(3-0.94)/ sin45°=43.7 mm2

總的補強面積：

A2+A3=412.3+43.7=456 mm2

A1=355.4 mm2

A2+A3>A1

因此，該接管開孔已滿足補強要求，不需要另加補強。

2.2案例2

某油品管道(材質：15CrMo)主管開一個沿主管60°軸向傾斜的分支管道，具體設計條件見表3，判斷焊接支管后是否需要補強。

表3　管道主要設計條件

2.2.1判斷方法1

(1)計算σθ/σs。

根據式(1)計算σθ，計算出環(huán)向應力為56.8MPa，σθ/σs=0.24。

(2)計算Db/Dh。

根據表3中的參數計算：

Db/Dh=0.41

結合σθ/σs及Db/Dh查表1，可見焊接支管結構應按照表中(2)的要求，即焊接支管需要補強。

2.2.2判斷方法2

按照案例1的計算過程，結合本管道的具體參數，假設沒有補強，各部分面積計算結果：

A1=1346.8 mm2

A2=408.1 mm2

A3=49.3 mm2

總的補強面積：

A2+A3=408.1+49.3=457.4 mm2

A1=1346.8 mm2

A2+A3

因此，該接管開孔需要補強。

3焊接支管的補強面積計算

3.1補強的結構形式

常用的補強方法有兩種：① 補強圈補強，即以全熔透焊縫將內部或外部補強圈與支管和主管相焊[8]。根據補強圈的形狀不同，該種補強又可分為鞍板型補強和全環(huán)繞型補強兩種。② 整體補強，即增加主管厚度，或以全熔透焊縫將厚壁支管或整體補強鍛件與主管焊接。采用增加主管厚度進行補強時，會增加管系的金屬用量，它是一種不經濟的做法。采用厚壁支管或整體補強鍛件進行補強時，對支管部分補強有裕，但對主管補強不足。

3.2補強面積計算

補強面積的確定原則是等面積補強，即挖去多少金屬，就補多少金屬，這樣做的目的雖不能消除應力集中的影響，但可以緩解應力集中的影響，降低應力集中區(qū)的應力水平。主管開孔補強可按照本文1.2介紹的公式A2+A3+A4+A5= A1來計算。以下將按照表1的規(guī)定將補強圈分為鞍板型和全環(huán)繞型兩種補強結構來介紹補強面積的計算。

3.2.1鞍板型補強圈

由前文可知，補強圈截面積A4= A1-( A2+A3+A5)，其中A1、A2、A3的面積可以按照本文第2部分計算出來，只要知道補強范圍內的焊縫截面積A5，則可算出A4。GB 20801.3 中7.8部分對焊縫的尺寸要求做了規(guī)定：

支管對主管的焊縫厚度：

補強圈對主管的焊縫厚度為tcr=0.5Tr

支管對主管的焊縫面積與補強圈對主管的焊縫面積之和就是補強范圍內焊縫截面積A5，即

A5=2×(0.5×2tcb×tcb) + 2×(0.5×2tcr×tcr)

=2 (tcb)2+2 (tcr)2

針對本文2.2的案例，計算出補強圈的面積A4，從而算出補強圈的外徑，補強計算完成。

=4.97 mm

tcr=0.5Tr=0.5×12.5=6.25 mm

A5=2×4.972+2×6.252=127.5 mm2

A4=A1-(A2+A3+A5)

=1346.8-(408.1+49.3+127.5)=761.9 mm2

根據GB/T 20801.3中6.7.4部分的公式(19)得出補強圈的外徑Dr。

A4=(Dr-Db/ sinβ)Tr

=(Dr-168÷sin60°) ×12.5=761.9 mm2

Dr=254 mm

3.2.2全環(huán)繞型補強圈

按照本文3.2.1節(jié)計算方法得出補強的范圍，若超過主管的半周時，應采用全環(huán)繞型補強結構，常見的結構見圖1。

圖1　全環(huán)繞型補強結構

當補強圈的形式采用全環(huán)繞型時，其設計應滿足以下要求：

(1)全環(huán)繞型補強構件的強度要求原則應滿足“等面積補強法”。

(2)全環(huán)繞主管的加強構件，開孔內邊緣應倒圓角，圓角半徑為3mm，當加強構件壁厚比主管厚時，應以45°的坡度削薄其邊緣，使邊緣厚度不大于主管壁厚。一般地，該構件的厚度不應大于1.5倍主管的公稱壁厚，長度可取按照3.2.1節(jié)計算出Dr的2倍。

4焊接支管應注意的問題

4.1不能采用焊接支管連接的情況

(1)對于GC1 級管道及有劇烈循環(huán)工況不宜采用補強圈作為補強措施。

(2)有機械振動、壓力脈動和溫度急劇變化的部位及設計溫度超過425℃的管道。

(3)設計壓力等于或大于2.0MPa、設計溫度超過250℃以及支管與主管公稱直徑之比大于0.8或承受機械振動、壓力脈動和溫度急劇變化的管道分支，應采用三通、45°斜三通和四通連接；公稱直徑小于或等于40mm 的管道，應采用承插焊(或螺紋)鍛制三通；公稱直徑等于或大于50mm的管道，應采用對焊三通。

4.2焊接支管連接的注意事項

(1) 當管子的環(huán)向應力大于管子材料在工作溫度下許用應力的50%時，被支管開孔削弱的管子應經驗算確定是否需要補強。

(2)當支管連接處承受由于支管熱變形、外荷載及支架位移等引起的應力時，應對附加荷載在支管連接處產生的影響進行分析并采取必要的加強措施。

(3)表1中管道補強計算時，環(huán)向應力與管材屈服極限的比值為重要的判斷因素，當σθ/σs≤ 20 時按注(4)不強制規(guī)定開孔補強。但是對于薄壁管或有嚴重外載荷等情況下，為安全起見，按補強計算。

(4)外加補強材料可不同于主管材料，但應和主管、支管材料具有相似的焊接性能、熱處理要求、電位差和熱膨脹系數等。

(5)支管與主管的焊接連接結構設計應符合ASME B31.3/B31.4、GB/T 20801、SH/T 3059、GB 50316的要求。

4.3等面積補強原則的局限性

等面積補強法是支管連接開孔補強計算的最低要求，ASME B31.3/B31.4、GB/T 20801及SH/T 3059標準都規(guī)定了其適用范圍：

(1)當主管外徑與主管最小壁厚之比小于100時，支管外徑與主管外徑之比不應大于1.0；當主管外徑與主管最小壁厚之比等于或大于100時，支管外徑與主管外徑之比應小于0.5。

(2)支管軸線和主管軸線相交，其夾角不應小于45°。

5結語

(1)焊接支管設計時，要根據管道設計溫度、設計壓力及結合管道材質，來判斷焊接開孔焊是否需要補強。同時要綜合考慮管道的運行工況，最終確定是否采用焊接支管連接、焊接支管是否補強以及補強形式。

(2)判斷焊接支管是否補強的方法有兩種：① 計算σθ/σs及Db/Dh，結合表1查詢是否需要補強及補強的形式；② 利用已有的管道參數，通過計算面積，比較(A2+A3)與A1大小。

(3)利用面積計算公式可以計算出A1、A2、A3和A5，利用等面積法可以計算出A4大小，從而得出所需補強圈的半徑。

(4)焊接補強校核采用的等面積補強原則，是支管連接開孔補強計算的最低要求，其使用是在一定范圍內，對于大口徑薄壁管的開口焊補強核算不可采用等面積法。

符號說明

P 管道設計壓力，MPa

S0管道名義壁厚，mm

A1因開孔削弱而需要補強的面積，mm2

A2補強范圍內主管上除承受壓力所需面積之外的多余截面積，mm2

A3補強范圍內支管上除承受壓力所需面積之外的多余截面積，mm2

A4補強范圍內的補強圈截面積，mm2

A5補強范圍內的焊縫截面積，mm2

D管道公稱直徑，mm

S管材在設計溫度下的需用應力，mm

Φ管子與對焊管件的縱向焊接接頭系數

Y計算系數

T計算厚度，mm

d1在支管處從主管上切除的有效長度，mm

d2補強范圍寬度的一半，mm

β支管軸線和主管軸線間的夾角，本案例為45°

Db支管外直徑，mm

Dh主管外直徑，mm

σθ主管環(huán)向應力，MPa

σs主材屈服強度，MPa

Tb支管最小厚度，為名以厚度減去材料厚度負偏差，mm。Tb=0.875×6.3=5.5mm

C腐蝕裕量，mm

Teh主管有效厚度，mm

Teb支管有效厚度，mm

L4主管外側的補強范圍高度，mm

Tr補強圈或補強鞍板的名義厚度，一般取主管的名義厚度，mm

參考文獻

1應道宴. 工業(yè)管道支管連接的壓力設計[J]. 化工設備與管道, 2007, 44(1):7-12.

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(收稿日期2015-11-22)