內(nèi)壓作用下等徑三通的有限元分析

姜運(yùn)建，李文彬，馮硯廳，趙紀(jì)峰，王　勇

(國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊　050021)

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內(nèi)壓作用下等徑三通的有限元分析

姜運(yùn)建，李文彬，馮硯廳，趙紀(jì)峰，王勇

(國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊050021)

摘要：針對如何確定電廠熱力管道三通檢驗(yàn)部位問題，應(yīng)用ABAQUS軟件對大型厚壁等徑三通在受內(nèi)壓作用下的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算和分析，得到三通模型的應(yīng)力分布規(guī)律，通過介紹某電廠三通的開裂檢測情況驗(yàn)證了三通有限元分析的正確性，提出對三通進(jìn)行無損檢測時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)對肩部的內(nèi)表面和腹部外表面進(jìn)行檢測。

關(guān)鍵詞：有限元分析；三通；應(yīng)力分析；ABAQUS

管道三通是一種從主管接出支管的管件，為管系載荷的集中部位，不僅承受內(nèi)壓，還往往受到彎矩、扭矩、軸向力的作用。三通不僅是管道改向和物料分流的重要結(jié)構(gòu)，而且是一種重要的柔性元件，能夠有效地消除管系中因溫差和安裝尺寸偏差等原因造成的應(yīng)力。與管道中直管段相比，三通屬于大開孔結(jié)構(gòu)，存在幾何形狀不連續(xù)因素，在相貫線的拐角處會(huì)形成極大的應(yīng)力集中[1]。由于厚壁等徑三通結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開孔直徑大，主管和支管相貫造成結(jié)構(gòu)不連續(xù)，使得其應(yīng)力分布相當(dāng)復(fù)雜，至今沒有成熟的應(yīng)力強(qiáng)度理論計(jì)算方法。對于在比較重要的場合應(yīng)用的管道三通，大多數(shù)是依靠有限元計(jì)算和試驗(yàn)等手段，得到其應(yīng)力應(yīng)變分布。在實(shí)際的工程配管設(shè)計(jì)中，目前大直徑的厚壁三通管還沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)、制造標(biāo)準(zhǔn)。以下利用ABAQUS軟件[2]，采用C3D4單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，對一大型厚壁(φ356 mm ×55 mm)等徑三通進(jìn)行有限元分析[3]。

1有限元分析過程

1.1三通尺寸

有限元所分析的管道三通為厚壁等徑正交三通，將模型簡化為2個(gè)理想等直徑中空圓柱體正交相貫，并且導(dǎo)出圓角。不考慮支管開孔的加強(qiáng)。為避免約束和外載引起的邊緣效應(yīng)，在主支管端分別增加一定長度的直管段，管道三通直管段壁厚為55 mm，其余尺寸見圖1。

圖1　三通尺寸(單位：mm)

1.2有限元模型

有限元模型是實(shí)際結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)表達(dá)模式，采用大型商用ABAQUS軟件，利用實(shí)體建模方法，對整個(gè)三通建立有限元模型，單元類型為C3D4，共計(jì)38 964個(gè)單元[4]。主管和支管取同種材料，其彈性模量E=2．1×1011Pa、泊松比μ=0.3。

1.3載荷及約束

對受內(nèi)壓的三通，模型內(nèi)表面上施加均布內(nèi)壓載大小為40 MPa，不考慮外部載荷。三通支管管上端面上約束其徑向平面內(nèi)的2個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)位移，支管上端面的軸向位移[5]。

2有限元分析結(jié)果

2.1有限元分析云圖

采用通用靜態(tài)分析。其分析結(jié)果的MIS應(yīng)力云圖見圖2，其中的變形為放大637倍后的變形圖。由圖2可知，外壁肩部應(yīng)力較小，腹部應(yīng)力較大；內(nèi)壁肩部及支管正對的主管底部應(yīng)力較大；三通受內(nèi)壓時(shí)腹部向外膨脹，肩部向內(nèi)收縮。

(a)　三通外壁MIS應(yīng)力分布及變形

(b)　三通內(nèi)壁MIS應(yīng)力分布及變形

圖2三通MIS應(yīng)力分布及變形

2.2不同路徑應(yīng)力分布

進(jìn)一步分析三通的承受內(nèi)壓后沿其外壁和內(nèi)壁在相貫線處的應(yīng)力變化，分別選取了三通外壁和內(nèi)壁4條分析路徑。路徑1，沿三通外壁支管-肩部-主管；路徑2，沿三通外壁支管-腹部-主管；路徑3，沿三通內(nèi)壁支管-肩部-主管；路徑4，沿三通內(nèi)壁支管-腹部-主管。

圖3為沿路徑1的MIS應(yīng)力分布規(guī)律，在支管和主管上應(yīng)力較為穩(wěn)定約75 MPa,在肩部應(yīng)力下降，在拐角處應(yīng)力最低為40 MPa。圖4為沿路徑2的MIS應(yīng)力分布規(guī)律，在支管和主管上應(yīng)力較為穩(wěn)定約75 MPa,在腹部應(yīng)力上升，在腹部應(yīng)力最高為140 MPa。圖5為沿路徑3的MIS應(yīng)力分布規(guī)律，在支管和主管上應(yīng)力較為穩(wěn)定約110 MPa,在肩部應(yīng)力上升，在肩部應(yīng)力最高為200 MPa。

圖3　支管-肩部-主管路徑(外壁)應(yīng)力分布

圖4　支管-腹部-主管路徑(外壁)應(yīng)力分布

圖5　支管-肩部-主管路徑(內(nèi)壁)應(yīng)力分布

圖6為沿路徑4的MIS應(yīng)力分布規(guī)律，在支管應(yīng)力約110 MPa,在腹部應(yīng)力下降，最小約75 MPa，經(jīng)過腹部后主管上的應(yīng)力開始上升，支管正對的主管底部應(yīng)力最高為145 MPa。

圖6　支管-腹部-主管路徑(內(nèi)壁)應(yīng)力分布

通過對該三通模型的有限元分析，可知在內(nèi)壓載荷下三通肩部內(nèi)表面MIS應(yīng)力最大為200 MPa；三通肩部外表面MIS應(yīng)力最大50 MPa；三通腹部內(nèi)表面MIS應(yīng)力最大為80 MPa；三通腹部外表面MIS應(yīng)力最大為145 MPa。三通承受內(nèi)壓最危險(xiǎn)部位為肩部內(nèi)表面，同時(shí)腹部外表面應(yīng)力較高。對三通進(jìn)行無損檢測時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)對三通肩部的內(nèi)表面和三通腹部外表面進(jìn)行檢測。

3實(shí)例分析

某電廠鍋爐主蒸汽管道的某一異徑三通為鍛造件，材質(zhì)為SA-335P91，規(guī)格為：外徑φ575.1 mm×φ575.1 mm×φ540.0 mm/內(nèi)徑φ419.1 mm×φ419.1 mm×φ392.0mm，設(shè)計(jì)壓力27.6 MPa，設(shè)計(jì)溫度576 ℃。運(yùn)行約5×105h，發(fā)生開裂泄漏事故。經(jīng)檢查異徑三通處存在兩條貫穿裂紋，一條位于三通前側(cè)的三通倒角半徑處，為縱向裂紋，長度約60 mm，寬約2 mm，一條位于三通管直徑為φ575 mm的接管下部，距離該接管下端的焊縫約15 mm，為環(huán)向裂紋，長度約60 mm，寬約2 mm，見圖7。

三通倒角半徑加工時(shí)應(yīng)力未完全釋放，安裝焊縫焊接后熱處理工藝可能存在欠缺，在管系溫度變化時(shí)，存在較大的應(yīng)力集中，最后形成三通環(huán)向裂紋，從前面的有限元分析可知，在三通的肩部內(nèi)壁應(yīng)力最大，該三通在管系中屬于相對薄弱的部位，開裂時(shí)從三通肩部內(nèi)壁向外貫穿開裂，與有限元計(jì)算結(jié)果相符。對三通進(jìn)行無損檢測時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)對三通肩部的內(nèi)表面和腹部外表面進(jìn)行檢測。

(a)　三通外壁裂紋

(b)　三通內(nèi)壁縱向裂紋

4結(jié)論

應(yīng)用ABAQUS軟件對三通在受內(nèi)壓作用下的應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算和分析，得到了三通模型的應(yīng)力分布規(guī)律，得到如下結(jié)論。

a. 管道三通受內(nèi)壓時(shí)腹部向外膨脹，肩部向內(nèi)收縮。

b. 管道三通外壁應(yīng)力情況為，外壁肩部應(yīng)力較??；腹部應(yīng)力較大。內(nèi)壁應(yīng)力情況為，內(nèi)壁肩部應(yīng)力較大；腹部應(yīng)力較小。

c. 某電廠三通的開裂情況驗(yàn)證了三通有限元分析的正確性，今后對三通進(jìn)行無損檢測時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)對三通肩部的內(nèi)表面和腹部外表面進(jìn)行檢測。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳建平.壓力管道三通結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理分析[J]. 機(jī)電技術(shù)，2006(6)：47-48.

[2]劉展.ABAQUS6.6基礎(chǔ)教程與實(shí)例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[3]曹海兵,江楠.大型厚壁等徑焊接三通應(yīng)力的有限元分析[J].化工機(jī)械,2008,35(4):216-219.

[4]張清懿.鍋爐管道三通的建模分析及評價(jià)[J]. 化工機(jī)械, 2011,38(1):94-96,103.

[5]軒福貞,李培寧,涂善東.復(fù)雜載荷下管道三通的塑性極限載荷[J].機(jī)械強(qiáng)度，2003，25(6)：646-650.

本文責(zé)任編輯：靳書海

Finite Element Analysis of T-pipe of Equal DiameterUnder Internal Pressure

Jiang Yunjian,Li Wenbin,Feng Yanting,Zhao Jifeng,Wang Yong

(State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

Abstract：In order to solve the problem of inspection site of T pipe in the power plant heat pipe,The calculation and analysis of the stress of a equal diameter T pipe under intemal pressure were carried out using ABAQUS software.The stress distribution law of the T pipe is derived.The finite element anaysis is good by crack of T pipe at an electric power plant.The inner surface of shoulder and the outer surface of abdomen in T pipe should be focused on as nondestructive testing.

Key words：finite element analysis;T pipe;stress analysis;ABAQUS

收稿日期：2016-03-01

作者簡介：姜運(yùn)建(1963-)，男，高級工程師，主要從事電站高溫設(shè)備及壓力容器壽命評價(jià)技術(shù)研究與管理工作。

中圖分類號：TV311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1001-9898(2016)03-0001-03