大口徑熱擠壓成型三通開孔補強的核算分析

畢陳帥 竇永磊 卞 敬 盧秋朋 周 蕊 井懌斌

（天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 天津 300192）

大口徑熱擠壓成型三通開孔補強的核算分析

畢陳帥 竇永磊 卞 敬 盧秋朋 周 蕊 井懌斌

（天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院 天津 300192）

根據(jù)規(guī)范中關(guān)于三通管道開孔補強原理和計算方法，結(jié)合六種型號大口徑熱擠壓三通爆破實驗結(jié)果，分析等面積補強法在大口徑熱擠壓三通中的適用性。比較了實驗爆破壓力和根據(jù)補強原理計算得到的設(shè)計壓力，改進了大口徑熱擠壓三通開孔補強所涉及的補強區(qū)范圍及其核算方法，為管道系統(tǒng)設(shè)計和安全評估等提供工程參考。

熱擠壓成型三通 開孔補強 等面積補強法 補強核算

管道開孔接聯(lián)分流支管及其補強結(jié)構(gòu)是石油、天然氣等管道運輸系統(tǒng)中最為常見的結(jié)構(gòu)形式之一，其對輸送效率有著至關(guān)重要的影響。主管道開孔后，其結(jié)構(gòu)的幾何連續(xù)性遭到了破壞，在開孔和接聯(lián)支管處呈現(xiàn)出強烈的應(yīng)力集中現(xiàn)象，加之服役環(huán)境的惡化及制造工藝的缺陷等原因，都給管道運輸系統(tǒng)安全性、可靠性帶來了很大的隱患。通常開孔部位嚴重削弱管道系統(tǒng)的整體強度、承壓能力等性能，其薄弱環(huán)節(jié)往往發(fā)生在管道接聯(lián)附近相關(guān)區(qū)域［1］，有必要對開孔處的補強進行核算并確定其最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式，為管道系統(tǒng)設(shè)計及其安全性評估提供工程指導(dǎo)意義。

劉欣等［1］對開孔補強設(shè)計主要原則進行分析，對補強板、補強管和焊臺補強三種補強方式進行比較研究，結(jié)合某特定儲氣管道在各種工況下進行計算分析，并比較三種方法的優(yōu)缺點，確定最適合該工況下開孔補強方式，故很有工程借鑒意義。曲忠奎等［2］分別對在壓力管道設(shè)備常采用的壓力容器開孔補強法和壓力管道標準規(guī)定的開孔補強法兩種計算方法進行比較分析，論述了兩種方法的特點及適用范圍，并指出在實際工程應(yīng)用中注意的事項。但文章并沒有結(jié)合具體工程實例對兩種方法給予定量分析，對某特定工程問題選擇何種方法仍然值得商榷。趙樹炳等［3］根據(jù)工程輸氣管道和輸油管道規(guī)范，對比分析了拔制三通開孔補強計算方法，可供匯氣管拔制三通的補強核算參考。此外，王高峰等［4］對油氣輸送關(guān)于拔制三通開孔補強計算所采用四種標準進行了對比分析，可為工程管道補強設(shè)計極端和核算提供指導(dǎo)。根據(jù)文獻［1-4］分析可知，多數(shù)工程研究人員的研究僅限于根據(jù)標準中關(guān)于管道補強核算規(guī)范對焊接接聯(lián)支管進行比較和分析，對現(xiàn)有通過熱擠壓成型工藝的大口徑三通鮮有報道?，F(xiàn)有報道雖結(jié)合工程實例分析給出若干指導(dǎo)建議，鮮有報道涉及到大口徑熱擠壓成型三通接聯(lián)支管開孔補強的設(shè)計計算和核算，且并未對根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計存在較大安全儲備裕度進行改進。

基于以上闡述，根據(jù)GB 50251—2003［5］中關(guān)于三通開孔補強的原理和計算方法，結(jié)合六種型號大口徑熱擠壓三通爆破實驗結(jié)果，分析等面積補強方法對大口徑熱擠壓三通中的適用性。給出規(guī)范中三通開孔補強計算方法的改進建議，對工程應(yīng)用中關(guān)于大口徑熱擠壓三通的補強計算及核算提供工程參考與指導(dǎo)。

1 規(guī)范中關(guān)于三通開孔補強的核算

輸送主管上開孔接聯(lián)分流支管是現(xiàn)代輸油和輸氣管道系統(tǒng)常見的結(jié)構(gòu)形式，開孔接聯(lián)支管給管道系統(tǒng)承壓能力造成嚴重削弱，有必要對管道開孔補強進行核算分析。管道開孔補強設(shè)計及計算方法主要有：ASME規(guī)范的等面積法及EN 13445標準的壓力面積法［6］。所謂開孔補強即在開孔接聯(lián)支管與主管道附近區(qū)域增加與因開孔減弱相當?shù)某惺軕?yīng)力面積［7］。在GB 50251—2003附錄F中規(guī)定：三通或直接在管道上開孔接聯(lián)分流支管時，因開孔削弱部分可根據(jù)等面積補強原理進行設(shè)計和核算。應(yīng)滿足式（1）及式（1-a）、式（1-b）、式（1-c）：

其中

式中：

A1——有效補強區(qū)內(nèi)主管多余厚度形成的面積，mm2；

A2——有效補強區(qū)內(nèi)支管多余厚度形成的面積，mm2；

A3——有效補強區(qū)內(nèi)另加補強元件的面積，mm2；

AR——主管開孔削弱的面積，mm2；

di——支管內(nèi)徑，mm；

δn——與主管相連的直管段壁厚，mm；

δb——與支管相連的直管段壁厚，mm；

W ——補強區(qū)寬度的1/2，等于di，mm；

根據(jù)規(guī)范中給出了直管段管壁厚度計算公式：

式中：

δ ——鋼管計算壁厚，mm；

p0——設(shè)計壓力，MPa；

D ——鋼管外徑，mm；

σs——鋼管的最小屈服強度，MPa；

F ——強度設(shè)計系數(shù)，根據(jù)地區(qū)等級：一級0.72，二級0.6，三級0.5，四級0.4；

φ ——焊縫系數(shù)；

t ——溫度折減系數(shù)，溫度小于120℃時，t=1。

將式（2）、式（1-a）、式（1-b）、式（1-c）代入式（1）中，經(jīng)化簡可得

在實際三通制造過程中，可以根據(jù)已知設(shè)計壓力p0，來設(shè)計三通主支管的實際壁厚，使其滿足補強要求。也可以根據(jù)式（3），根據(jù)已知制造出來的三通實際壁厚，求得滿足補強要求的三通設(shè)計壓力p0（因本文僅考慮內(nèi)壓載荷）。對于受約束的埋地直管段軸向應(yīng)力及當量應(yīng)力計算參考GB 50251—2003附錄B相關(guān)計算公式。同理，受內(nèi)壓和溫差共同作用下彎頭的組合應(yīng)力參考附錄C相關(guān)計算公式。上述兩種不同工況下不同區(qū)段的管道設(shè)計壓力的計算由于受到外界約束抵消一部分內(nèi)壓，則其設(shè)計壓力較不受約束直管段裕度更高（即直管段在服役工況更惡劣）。

2 大口徑熱擠壓三通開孔補強計算分析的驗證

為了更好的說明等面積法對大口徑熱擠壓三通補強核算分析的適用性，本節(jié)根據(jù)廠家生產(chǎn)的六種型號大口徑熱擠壓三通，運用前面關(guān)于補強驗證關(guān)系式（3），求得各型號熱擠壓三通的設(shè)計壓力，并與各型號熱擠壓三通的實驗爆破壓力［8］進行對比分析，驗證補強公式的適用性。

2.1 大口徑熱擠壓三通爆破壓力開孔補強的計算

以DN1200×900型熱擠壓三通為例，來說明設(shè)計壓力p0的計算過程。由于熱擠壓三通主支管肩部壁厚不均勻，但從主管端到支管端壁厚光滑過渡，逐漸減小。因此，主管段實際壁厚取主管段實測壁厚的平均值，支管段實際壁厚取直管段實測壁厚的平均值。實測主管外徑D=1230mm，支管外徑d=920mm，支管內(nèi)徑di=830mm，實測三通主管段平均壁厚'nδ=50.7mm，實測三通支管段平均壁厚'bδ=44.3mm，由材料性能實驗結(jié)果可知，其最小屈服強度σs=565MPa。焊縫系數(shù)φ=1，溫度折減系數(shù)t=1。代入式（3）可得：

當強度設(shè)計系數(shù)F=0.4時，求得設(shè)計壓力p0=10.3MPa；當強度設(shè)計系數(shù)F=0.5時，求得設(shè)計壓力p0=12.7MPa；當強度設(shè)計系數(shù)F=0.6時，求得設(shè)計壓力p0=15.4MPa；當強度設(shè)計系數(shù)F=0.72時，求得設(shè)計壓力p0=18.5MPa。上述設(shè)計壓力均是根據(jù)GB 50251—2003關(guān)于三通開孔補強的技術(shù)規(guī)定，按照等面積補強原理求得的，而DN1200×900型熱擠壓三通實驗測得的爆破壓力43.4MPa。顯然，根據(jù)補強條件求得的設(shè)計壓力遠小于三通爆破壓力。

同理，可得另外五種型號大口徑熱擠壓三通在不同強度設(shè)計系數(shù)下的設(shè)計壓力。六種型號熱擠壓三通設(shè)計壓力計算結(jié)果見表1。由表1可知，在GB 50251—2003關(guān)于三通開孔補強的技術(shù)條件下，按照等面積補強原理求得的設(shè)計壓力均遠小于各型號熱擠壓三通的實驗爆破壓力。表明設(shè)計安全裕度過高，造成材料的浪費。同時，也說明規(guī)范中的補強條件已不再適用于這六種大口徑熱擠壓三通，需要進一步探討大口徑熱擠壓三通的開孔補強技術(shù)條件。

表1 大口徑熱擠壓三通補強條件下的設(shè)計壓力計算結(jié)果比較

2.2 對規(guī)范中關(guān)于三通開孔補強計算的改進

●2.2.1 關(guān)于補強區(qū)范圍的改進

下面以DN1200×900型熱擠壓三通為例，結(jié)合三通的實際幾何尺寸，分析補強區(qū)范圍的適用性。根據(jù)支管多余厚度形成的面積A2計算公式可知，與支管連接的直管管壁厚度δb小于支管段的實測壁厚，所以補強區(qū)高度。實測主管外徑D=1230mm，支管外徑d=920mm，支管內(nèi)徑di=830mm，實測三通支管段平均壁厚，實際三通軸向長度為2C=1778mm，三通支管端距離中線為M=787mm，所以三通支管端距離主管外表面高度為M-D/2=172mm。

1）補強區(qū)高度驗證。

由計算可得規(guī)范規(guī)定的補強區(qū)高度H＜141.3mm，顯然H＜ M-D/2=172mm。表明規(guī)范規(guī)定的補強區(qū)高度在三通結(jié)構(gòu)高度范圍內(nèi)。

2）補強區(qū)寬度驗證。

由計算可得規(guī)范規(guī)定的補強區(qū)寬度2W=2di=1660mm，顯然2W＜2C=1778mm。表明規(guī)范規(guī)定的補強區(qū)寬度也在三通結(jié)構(gòu)寬度范圍內(nèi)。同理，可以驗證其他五種型號熱擠壓三通的補強區(qū)范圍。比較結(jié)果見表2，DN1200×700、DN1200×800 和DN1200×900型熱擠壓三通的補強區(qū)范圍在三通結(jié)構(gòu)尺寸范圍內(nèi)。DN1200×1000、DN1200×1200和DN1000×1000型熱擠壓三通的補強區(qū)寬度超出了三通結(jié)構(gòu)范圍，表明規(guī)范規(guī)定的補強區(qū)范圍已經(jīng)不再適用。而補強區(qū)高度一直小于三通支管端高度，即補強區(qū)高度在三通尺寸范圍內(nèi)，如圖1所示。

表2 各型號熱擠壓三通補強區(qū)范圍驗證比較

圖1 三通補強區(qū)范圍示意圖

●2.2.2 三通補強計算公式的改進

在三通開孔補強技術(shù)條件中，第一步是要分別計算與主、支管連接的直管管壁厚度，這是進行補強驗算的前提條件。在GB 50251—2003中給出了直管段壁厚計算公式（3）。

以DN1200×900型熱擠壓三通為例，以廠家生產(chǎn)的熱擠壓三通主、支管端最薄壁厚為計算壁厚，則主管端計算壁厚δn=45mm，主管外徑D=1230mm，支管端計算壁厚δb=41.8mm，支管外徑d=920mm，由于δn/D＜δb/d，所以式中代入δn/D來計算設(shè)計壓力p0。最小屈服強度σs=565MPa，焊縫系數(shù)φ=1，溫度折減系數(shù)t=1，代入式（3）得：

當強度設(shè)計系數(shù)F=0.4時，求得設(shè)計壓力p0=16.53MPa；當強度設(shè)計系數(shù)F=0.5時，求得設(shè)計壓力p0=20.67MPa；當強度設(shè)計系數(shù)F=0.6時，求得設(shè)計壓力p0=24.8MPa；當強度設(shè)計系數(shù)F=0.72時，求得設(shè)計壓力p0=29.76MPa。其他型號熱擠壓三通的直管段設(shè)計壓力的計算采用上述相同方法。計算結(jié)果見表3。

表3 各型號熱擠壓三通直管段設(shè)計壓力計算結(jié)果

由表3中計算結(jié)果可知，按照三通最小厚徑比計算的直管段的設(shè)計壓力比根據(jù)等面積補強原理計算的設(shè)計壓力有所提高，但與三通實驗爆破壓力還有一定差距。說明仍然有很大的安全裕度。下面將按此方法計算的設(shè)計壓力分別用于各型號熱擠壓三通補強公式來對規(guī)范關(guān)于補強區(qū)范圍給出改進意見。

1）DN1200×900型三通

主支管最薄處厚徑比δn/D＜δb/d，因此，以主管最小壁厚作為已知δn，來計算設(shè)計壓力p0，進而求得支管的計算厚度。

主管開孔所需補強面積：

主管多余厚度形成的面積：

支管多余厚度形成的面積：

另加補強元件面積：A3=0；

所以補強關(guān)系有：

2）DN1200×1000型三通

根據(jù)同樣的計算步驟可得DN1200×1000型三通補強關(guān)系為：

3）DN1200×1200型三通

根據(jù)同樣的計算步驟可得DN1200×1200型三通補強關(guān)系為：

4）DN1000×1000型三通

根據(jù)同樣的計算步驟可得DN1000×1200型三通補強關(guān)系為：

綜上分析可知，以三通主支管最小厚徑比驗算的設(shè)計壓力，其補強面積只需滿足削弱面積的30%。換句話說，根據(jù)規(guī)范中關(guān)于補強原理設(shè)計和核算的結(jié)果存在很大的安全裕度，這樣不僅造成材料浪費，導(dǎo)致未充分利用材料性能，喪失其經(jīng)濟節(jié)能的理念。

因此，熱擠壓三通開孔補強技術(shù)條件可以修正為：

式中：

3 結(jié)論

根據(jù)GB 50251—2003中關(guān)于三通開孔補強的原理和計算方法，結(jié)合六種型號大口徑熱擠壓三通爆破實驗結(jié)果，分析補強計算方法在大口徑熱擠壓三通中的適用性，對三通開孔補強計算的給出改進建議。本文主要結(jié)論：

1） 根據(jù)規(guī)范中關(guān)于三通補強等面積法計算及實驗結(jié)果分析，分別對補強區(qū)域進行核算表明：補強區(qū)寬度取支管內(nèi)徑和三通軸向半長的較小值，補強區(qū)高度取三通支管端至主管肩部外邊緣距離和規(guī)范規(guī)定的較小值；

2）以三通主支管最小厚徑比驗算的設(shè)計壓力，補強面積只需滿足約為削弱面積的30%，即根據(jù)規(guī)范中補強原理計算結(jié)果存在非常大的安全裕度，實際設(shè)計可根據(jù)工程實際需求對三通補強區(qū)域尺寸進行一些調(diào)整，這樣既不浪費又可充分利用材料的性能；隨著管道加工工藝和新材料的應(yīng)用，相關(guān)規(guī)范或標準的滯后性需要予以及時完善和修訂，使得管道在滿足既定功能前提下不失經(jīng)濟節(jié)能；

3）分析了六種型號大口徑熱擠壓三通補強核算，改進現(xiàn)有規(guī)范中關(guān)于補強的設(shè)計計算的不足，為熱擠壓三通開孔補強設(shè)計核算、管道設(shè)計和安全評估提供了參考。

［1］ 劉欣，王新華，李顯達，等.壓力管道開孔補強設(shè)計［J］.化工設(shè)備與管道，2012，49（3）： 64-66.

［2］ 曲忠奎，郭磊，王楓，等.壓力管道設(shè)備開孔補強計算方法探討［J］.石油化工設(shè)備，2011，40（1）： 23-25.

［3］ 趙樹炳，崔成山.拔制三通開孔補強計算分析探討［J］.中國科技信息，2010（20）：81-82.

［4］ 王高峰，楊延華，劉迎來，等.標準中關(guān)于拔制三通開孔補強計算方法的對比［J］.焊管，2013，36（2）：53-57.

［5］ GB 50251—2003 輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范［S］.

［6］ 王磊.壓力容器開孔補強設(shè)計方法比較［J］.化工設(shè)備與管道，2008，45（1）： 15-18.

［7］ 宋長清，劉瑩，鄧建勇.大口徑管道開孔補強的設(shè)計核算方法及效果［J］.煉油技術(shù)與工程，2012，42（7）： 49-52.

［8］ 潘羽.油氣管道工程大口徑熱擠壓成型三通極限承壓能力研究［D］.西安：西安交通大學(xué)，2013.

Opening Reinforcement Calculation Analysis for Large Diameter Hot Extrusion Piping Tees

Bi Chenshuai Dou Yonglei Bian Jing Lu Qiupeng Zhou Rui Jing Yibin
（Tianjin Institute of Special Equipment Inspection Technical Research Tianjin 300192）

According to opening reinforcement principles and calculation methods for piping tees norms and combining with blasting results of six large diameter hot extrusion tees models， the applicability of equal-area reinforcement methods for large diameter hot extrusion piping tees are analyzed.Experimental blast pressure and designed blast calculated pressure based on reinforcement principles are compared.Opening reinforcement scope and its calculated methods of large diameter hot extrusion tees are improved， which can provide engineering reference for the pipeline system design and safety assessment.

Hot extrusion tees Opening reinforcement Equal-area reinforcement methods Reinforcement calculation

X933.4

B

1673-257X（2016）09-0016-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.09.004

畢陳帥（1989～），男，碩士，助理工程師，從事特種設(shè)備檢驗檢測及相關(guān)研究工作。

（2016-03-24）