異種鋼焊接斜三通的應(yīng)力分析

聶 磊，王 磊

(1.上海華誼工程有限公司，上海 200241；2.中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

異種鋼焊接斜三通的應(yīng)力分析

聶 磊1，王 磊2

(1.上海華誼工程有限公司，上海 200241；2.中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

應(yīng)用Ansys Workbench對(duì)異種鋼焊接斜三通進(jìn)行了有限元計(jì)算，得到了比ASME B31.3—2014規(guī)范更為精確的應(yīng)力增大系數(shù)，從而改進(jìn)CARSAR II的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)對(duì)比了同材質(zhì)鋼焊接斜三通的應(yīng)力增大系數(shù)，結(jié)果表明：異種鋼焊接相比同種鋼焊接對(duì)應(yīng)力增大系數(shù)的影響程度更大，為管道應(yīng)力計(jì)算提供了一些參考。

斜三通；有限元分析；應(yīng)力增大系數(shù)

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.008

火炬是石油化工生產(chǎn)中的重要安全措施，火炬氣的來(lái)源復(fù)雜，通常是生產(chǎn)裝置排出的甲烷、己烷、乙烯、丙烯、氫氣等可燃?xì)怏w，往往壓力不高。氣體支管一般從火炬氣體主管頂部引出，而為了減少阻力降，支管通常和主管成45°的夾角，形成45°斜三通。為了準(zhǔn)確地對(duì)火炬氣管道進(jìn)行應(yīng)力分析，就要分析斜三通的應(yīng)力增大系數(shù)，最終判別三通是否需要補(bǔ)強(qiáng)，或者三通是否發(fā)生應(yīng)力破壞。

應(yīng)力增大系數(shù)[1]是指在疲勞破壞循環(huán)次數(shù)相同的情況下，作用于直管的彎曲應(yīng)力與作用于管件的名義彎曲應(yīng)力之比。在管道應(yīng)力計(jì)算軟件CAESARII中，應(yīng)力增大系數(shù)是根據(jù)ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)[2]中第319.4.4條所示計(jì)算公式計(jì)算，其依據(jù)是A.R.C.Markl在20世紀(jì)40年代到50年代期間的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但即使是Markl的實(shí)驗(yàn)也不全面，在對(duì)斜三通，尤其是異種鋼焊接斜三通，并沒(méi)有現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)資料。CAESARII軟件計(jì)算工業(yè)管道，選用的是梁?jiǎn)卧Ｐ停⒉粎^(qū)分計(jì)算的應(yīng)力是在管道的什么部位，只計(jì)算中心線(xiàn)上的應(yīng)力，所以當(dāng)管系中有斜三通或者異種鋼焊接斜三通的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力計(jì)算偏差，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確。CAESARII軟件考慮到了自身的局限性，工程設(shè)計(jì)人員可以指定三通的應(yīng)力增大系數(shù)，得到更真實(shí)、準(zhǔn)確的結(jié)果。

1 有限元軟件的選擇及模型簡(jiǎn)化

有限元軟件眾多，常用的有ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等，但ANSYS是目前運(yùn)用得最廣泛且在多次FEA評(píng)比中都名列第一，同時(shí)安世亞太公司推出的ANSYS WORKBENCH版本簡(jiǎn)化了建模的方式，提高了工作效率，所以本文采用ANSYS WORKBENCH作為計(jì)算程序。

三通元件一般在管系中可以自由膨脹，可忽略溫度的影響，模型簡(jiǎn)化為內(nèi)壓加上6個(gè)彎矩，見(jiàn)圖1。

圖1 簡(jiǎn)化模型

固定端距離支管的長(zhǎng)度也會(huì)產(chǎn)生影響，距離過(guò)短會(huì)影響根部的應(yīng)力分布，為避免邊緣效應(yīng)，主管和支管的長(zhǎng)度要大于相應(yīng)直徑的2倍[3]，本文取3.5Do，支管長(zhǎng)度取3.7do。

2 模型參數(shù)

此模型分析來(lái)源于一個(gè)外管改造項(xiàng)目，外管介質(zhì)為火炬氣，現(xiàn)業(yè)主需要從老的火炬氣主管上抽頭一個(gè)分支，供給新的裝置，分支管道采用開(kāi)孔直接焊的方式與主管連接，夾角為45°。管道參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 管道參數(shù)

為了與同種鋼焊接斜三通進(jìn)行對(duì)比，新增兩種情況：主管和支管同為20鋼和同為00Cr19Ni10,其余參數(shù)不變。

ANSYS材料庫(kù)里沒(méi)有對(duì)應(yīng)的國(guó)標(biāo)材料，我們需要新增材料參數(shù)，材料力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 材料力學(xué)性能

要做有限元分析首先要確定分析模型的單元類(lèi)型，ANSYS單元類(lèi)型眾多，本文采用SOLID186單元，從ANSYS的幫助文件可以看出，SOLID186單元是一個(gè)高階3維20節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元，單元通過(guò)20個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著XYZ方向平移的自由度，可以用來(lái)模擬幾乎不可壓縮的彈塑性材料和完全不可壓縮的超彈性材料，SOLID186單元具有二次位移模式，可以更好地模擬不規(guī)則的網(wǎng)。將模型劃分為主管和分支管2個(gè)部分，分支管形狀規(guī)則，采用掃掠方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而主管由于開(kāi)孔焊接形狀不規(guī)則，采用六面體網(wǎng)絡(luò)劃分。模型厚度方向劃分為2層，對(duì)主管和分支管接觸部分網(wǎng)格加密。網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分

3 分析方法及邊界條件

對(duì)于管道應(yīng)力工程師而言，關(guān)心的是管道的一次應(yīng)力和二次應(yīng)力，根據(jù)ASME B31.3-2014的解釋?zhuān)?jì)算一次應(yīng)力可不考慮應(yīng)力增大系數(shù)。但計(jì)算二次應(yīng)力要采用應(yīng)力增大系數(shù)，目的是考慮局部應(yīng)力的影響。應(yīng)力增大系數(shù)分為平面內(nèi)應(yīng)力增大系數(shù)和平面外應(yīng)力增大系數(shù)。對(duì)于此斜三通管件，管件軸線(xiàn)構(gòu)成的平面即為平面內(nèi)，與此平面垂直的面即為平面外。

ANSYS WORKBENCH并不會(huì)直接計(jì)算出應(yīng)力增大系數(shù)，根據(jù)定義，可以由下面公式(1)計(jì)算：

(1)

其中，SIF(in)為平面內(nèi)應(yīng)力增大系數(shù)；SIF(out)為平面外應(yīng)力增大系數(shù)；σimax為平面內(nèi)最大VonMises應(yīng)力，MPa(g)；σomax為平面外最大VonMises應(yīng)力，MPa(g)；σm為名義彎曲應(yīng)力，MPa(g)。

名義彎曲應(yīng)力為在彎矩M的作用下與支管截面相同的直管中的最大彎曲應(yīng)力，可由下面公式(2)、(3)計(jì)算

(2)

(3)

其中，Wz為抗彎截面系數(shù)，mm3；do為管道外徑，mm；di為管道內(nèi)徑，mm；M為彎矩，N·mm。

對(duì)主管的一端固定，即限制平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，主管另一端和焊接支管自由，對(duì)支管端部分別施加平面內(nèi)彎矩和平面外彎矩，由ANSYS WORKBENCH求出平面內(nèi)和平面外最大VonMises應(yīng)力，帶入公式求得應(yīng)力增大系數(shù)。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

異種鋼焊接斜三通的平面內(nèi)外最大VonMises應(yīng)力見(jiàn)圖3和圖4；20鋼焊接鋼斜三通見(jiàn)圖5和圖6；00Cr19Ni10焊接鋼斜三通見(jiàn)圖7和圖8。

圖3 異種鋼焊接斜三通平面內(nèi)最大VonMises應(yīng)力

圖4 異種鋼焊接斜三通平面外最大VonMises應(yīng)力

圖5 20鋼焊接斜三通平面內(nèi)最大VonMises應(yīng)力

圖6 20鋼焊接斜三通平面外最大VonMises應(yīng)力

圖7 00Cr19Ni10鋼焊接斜三通平面內(nèi)最大VonMises應(yīng)力

圖8 00Cr19Ni10鋼焊接斜三通平面外最大VonMises應(yīng)力

根據(jù)表1和表2的管道參數(shù)，利用ANSYS WORKBENCH計(jì)算出結(jié)果，帶入公式可以得到平面內(nèi)和平面外的應(yīng)力增大系數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 應(yīng)力增大系數(shù)

從上表看出，如果以20鋼斜三通的平面內(nèi)外應(yīng)力增大系數(shù)為基準(zhǔn)，則00Cr19Ni10鋼的平面內(nèi)應(yīng)力增大系數(shù)變化了0.144%，平面外變化了0.151%；異種鋼焊接平面內(nèi)應(yīng)力增大系數(shù)變化了1.05%，平面外變化了2.42%。由此可以看出異種鋼焊接材質(zhì)的變化對(duì)應(yīng)力增大系數(shù)的影響，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同種鋼焊接材質(zhì)變化的影響。

將計(jì)算出的異種鋼應(yīng)力增大系數(shù)帶入圖9中CAESARII輸入表單的方框部分，運(yùn)行后得到二次應(yīng)力結(jié)果，將結(jié)果與CAESARII默認(rèn)應(yīng)力增大系數(shù)的運(yùn)行結(jié)果對(duì)比，見(jiàn)表4。

圖9 CAESARII 運(yùn)行表單

項(xiàng)目二次應(yīng)力/MPa(g)應(yīng)力百分比/%ANSYSWORKBENCH計(jì)算157.87556.9CAESARII計(jì)算125.73846.3

從表4看出，對(duì)本文管道參數(shù)而言，CAESARII計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果偏低，當(dāng)CAESARII計(jì)算結(jié)果的二次應(yīng)力百分比較高時(shí)，會(huì)造成管系安全的假象，實(shí)際有可能已經(jīng)破壞，有限元計(jì)算的結(jié)果會(huì)更精確，可判斷出何時(shí)對(duì)開(kāi)孔進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，避免三通發(fā)生破壞，影響管道安全運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了焊接斜三通的有限元計(jì)算方法，指出了CAESARII軟件的不足，同時(shí)對(duì)比了異種鋼焊接斜三通和同種鋼焊接斜三通的應(yīng)力增大系數(shù)，對(duì)比了ANSYS WORKBENCH和CAESARII軟件二次應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，得出以下結(jié)論。

(1)對(duì)于焊接斜三通，CAESARII的計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，需要進(jìn)行有限元計(jì)算改進(jìn)計(jì)算結(jié)果。

(2)對(duì)于本文示例，有限元計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力百分比大于CAESARII計(jì)算結(jié)果18.6%，CAESARII計(jì)算結(jié)果偏于不安全。

(3)在材料種類(lèi)一定的情況下，異種鋼焊接斜三通應(yīng)力增大系數(shù)要小于同種鋼焊接斜三通應(yīng)力增大系數(shù)，要對(duì)其更為重視。

[1] 唐永進(jìn).壓力管道應(yīng)力分析(第二版)[M].北京:中國(guó)石化出版社,2010.

[2] AMSE B31.3-2014，工藝管道[S].

[3] 唐永進(jìn).特殊形狀三通管道的應(yīng)力分析[J].石油化工設(shè)備技術(shù)，2005,26(6):1-3.

Stress Analysis for Dissimilar Steel Lateral

Nie Lei1, Wang Lei2

(1ShanghaiHuayiEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200241China; (2WuhuanEngineeringCo.,Ltd.,WuhanHubei430223China)

Based on finite element analysis, the dissimilar steel lateral is calculated by Ansys Workbench.With the more accurate stress intensification factor than the ASME B31.3-2014 specification, the calculating result of CAESARII has been improved.Meanwhile, the stress intensification factors of the same steel laterals are compared.The results show that the dissimilar steel lateral has greater influence on the stress intensification factor than the same steel lateral, providing a reference for pipe stress calculation.

steel lateral; finite element analysis; stress intensification factor

聶磊(1983年-)，河北石家莊人，2009年畢業(yè)于華東理工大學(xué)固體力學(xué)專(zhuān)業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事化工工程管道應(yīng)力分析工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.008

TG 457.6

A

1004-8901(2016)06-0033-04

2016-07-05