熱力管道鍛制三通最小允許壁厚有限元分析

燕勇鵬，王 淮，趙惠中，王 芃(.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司第六設(shè)計研究院，天津008；.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津008；.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，黑龍江哈爾濱5000)

1 概述

開孔使管子承載面積削弱，并使開孔位置應(yīng)力集中，連接處出現(xiàn)不連續(xù)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了附加的不連續(xù)應(yīng)力。因此，開孔處需要補強，保證管子開孔后的承壓能力。本文介紹三通補強設(shè)計方法，采用有限元分析法對不同荷載條件下熱力管道三通最小允許壁厚進(jìn)行模擬計算。

2 三通補強設(shè)計方法

2.1 等面積法

等面積法的原理為：開孔減少的截面積，應(yīng)由補強有效范圍內(nèi)的多余截面積(除承受壓力所需截面積之外的截面積)和補強板、焊縫的截面積所補償。一般有補強圈局部補強、增加壁厚兩種形式[1]。

① 補強圈局部補強

補強圈局部補強具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于焊制三通的補強設(shè)計。GB 50253—2014《輸油管道工程設(shè)計規(guī)范》第5.4.11條對焊制三通采用補強圈局部補強的等面積補強進(jìn)行了規(guī)定，校核條件為：

A1+A2+A3+A4≥AR

式中A1——主管(指被開孔管子)補強面積，m2

A2——支管(指開孔處焊接的管子)補強面積，m2

A3——補強圈所占補強面積，m2

A4——焊縫所占補強面積，m2

AR——需要的補強面積，m2

GB 50253—2014圖5.4.11對等面積補強的有效范圍進(jìn)行了圖示。

② 增加壁厚

增加壁厚不僅適用于焊制三通，更適用于鍛制三通。當(dāng)鍛制三通采取增加壁厚的等面積補強時，校核條件為：

A1+A2≥AR

2.2 壓力面積法

壓力面積法以管道有效補強范圍內(nèi)的壓力荷載與管道的承載能力相平衡為前提，影響范圍與主管、支管的半徑、壁厚有關(guān)。在影響區(qū)域范圍內(nèi)，壓力的作用是使三通截面分開，而金屬的作用是維持三通原本的形狀。文獻(xiàn)[1]指出，壓力面積法是德國壓力容器和蒸汽鍋爐技術(shù)過程中采用的補強方法，適用于大開孔情況，在我國該方法不能作為壓力容器設(shè)計開孔補強的合法依據(jù)。

2.3 有限元分析法

隨著數(shù)值分析方法和計算機處理能力的發(fā)展，有限元分析在工程設(shè)計中應(yīng)用得越來越多[2]。將三通置于熱力管道系統(tǒng)后，采用結(jié)構(gòu)梁單元的有限元應(yīng)力分析。為充分考慮三通所處環(huán)境中各種荷載的作用，通常采用俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)GOST 55596—2013《District Heating Networks Standard for Stress and Seismic Analysis》規(guī)定的第四強度理論進(jìn)行疲勞破壞分析。疲勞破壞分析的荷載主要是溫度循環(huán)變化引起的，最大溫度變化范圍引起的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍以及判定標(biāo)準(zhǔn)為：

(1)

Δσeq≤3σall

(2)

式中 Δσeq——當(dāng)量應(yīng)力變化范圍，MPa

Δσt——環(huán)向應(yīng)力的變化范圍，MPa

Δσz——軸向應(yīng)力的變化范圍，MPa

Δσs——剪切應(yīng)力的變化范圍，MPa

σall——設(shè)計溫度下三通材料的許用應(yīng)力，MPa

2.4 比較

等面積法、壓力面積法僅考慮了薄膜應(yīng)力，未考慮彎曲應(yīng)力、峰值應(yīng)力的影響，有限元分析法考慮全面、精度高[1,3]。因此本文采用有限元分析法對鍛制三通在不同荷載條件下的最小允許壁厚進(jìn)行模擬計算。

3 算例

3.1 研究對象

鍛制三通為分流三通，三通長度L為2 400 mm，總管、直支管外直徑D均為1 420 mm，側(cè)支管外直徑d為1 220 mm，連接處半徑r為150 mm，hb為710 mm，h為1 420 mm，δ為總管、直支管的壁厚，δb為側(cè)支管的壁厚。幾何尺寸見圖1。模擬計算時，除總管壁厚、直支管壁厚、側(cè)支管壁厚外其他參數(shù)不變。

圖1 鍛制三通的幾何尺寸

3.2 僅考慮內(nèi)壓作用

內(nèi)壓設(shè)定為1.6 MPa。由于僅考慮內(nèi)壓作用，不考慮外荷載、溫度等作用，因此不必考慮管道布置的影響，只對三通進(jìn)行模擬計算。

當(dāng)僅考慮內(nèi)壓作用時，利用有限元軟件對鍛制三通最小允許壁厚進(jìn)行模擬計算的步驟為：

第1步：進(jìn)入有限元軟件：程序—開始—Element—新項目設(shè)置—應(yīng)力分析規(guī)范—選擇標(biāo)準(zhǔn)(GOST 55596—2013)—設(shè)置工作文件名：三通內(nèi)壓作用分析—OK。

第2步：建立幾何模型：選擇三通類型：鍛制三通。

第3步：三通設(shè)置：a.設(shè)置三通尺寸參數(shù)，除鍵入不變參數(shù)外，設(shè)定總管、直支管壁厚為22 mm。b.設(shè)置三通鋼材：在鋼材選項中按需要可選擇Q235B、20、Q345B，當(dāng)鋼材選定后，軟件將自動調(diào)用材料庫中對應(yīng)的彈性模量、泊松比等參數(shù)。c.設(shè)置介質(zhì)參數(shù)：在壓力選項中填寫1.6 MPa。

第4步：網(wǎng)格劃分：軟件根據(jù)三通模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

第5步：定義約束、施加荷載：對三通模型施加各方向約束，根據(jù)輸入的內(nèi)壓對三通施加荷載。

第6步：分析計算：Start-Prof Main Menu：Solution—計算應(yīng)力—OK。

第7步：顯示結(jié)果：Start-Prof Main Menu：顯示三通側(cè)支管的壁厚—OK。

當(dāng)側(cè)支管壁厚大于總管、直支管壁厚時，在三通尺寸參數(shù)設(shè)置選項中，調(diào)整設(shè)置總管、直支管壁厚。重新計算，直到總管、直支管壁厚比側(cè)支管壁厚稍大即可。僅考慮內(nèi)壓作用時，Q235B、20、Q345B三通的最小允許壁厚見表1。

表1 僅考慮內(nèi)壓作用時Q235B、20、Q345B三通的最小允許壁厚

3.3 考慮全部荷載

全部荷載情況考慮內(nèi)壓、溫度、土壓荷載以及土壤約束等。計算條件：內(nèi)壓1.6 MPa，設(shè)計供水溫度120 ℃，安裝溫度：冷安裝溫度10 ℃、預(yù)熱安裝溫度65 ℃，總管上游、直支管下游直管(Q235B)規(guī)格D1420×20，側(cè)支管下游直管(Q235B)規(guī)格D1220×16。

① 有限元分析步驟

第1步：進(jìn)入有限元軟件：程序—開始—Pipeline—新項目設(shè)置—應(yīng)力分析規(guī)范—選擇選擇標(biāo)準(zhǔn)(GOST 55596—2013)—設(shè)置安裝溫度：根據(jù)不同安裝溫度填寫10 ℃或65 ℃—設(shè)置工作文件名：三通分析—OK。

第2步：建立幾何模型：a.生成每一段的幾何模型：Start-Prof Main Menu：新建管道—依次輸入相對于起點的相對坐標(biāo)。b.設(shè)置每一段的鋼材：在鋼材選項中選擇Q235B。c.設(shè)置每一段的介質(zhì)參數(shù)：在壓力選項中填寫1.6 MPa，在溫度選項中填寫120 ℃。d.設(shè)置每一段的管頂埋深：各管段起點、終點的管頂埋深均填寫1.5 m。e.三通所處的位置：錨固段或過渡段。

第3步：三通設(shè)置：a.設(shè)置三通類型：當(dāng)三通上下游直管建模完成后插入三通—選擇三通類型：鍛制三通。b.設(shè)置三通尺寸參數(shù)：除鍵入不變參數(shù)外，先設(shè)定總管、直支管壁厚22 mm，側(cè)支管壁厚18 mm。c.設(shè)置三通鋼材：在鋼材選項中按需要可選擇Q235B、20、Q345B。

第4步：網(wǎng)格劃分：軟件根據(jù)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，三通以及附近的網(wǎng)格劃分得密一些，上下游直管的網(wǎng)格劃分得稀疏一些。

第5步：定義約束、施加荷載：軟件根據(jù)模型設(shè)定的約束條件施加約束，并根據(jù)輸入的內(nèi)壓、安裝溫度、工作溫度、管頂覆土深度對三通施加荷載。

第6步：分析計算：Start-Prof Main Menu：Solution—計算應(yīng)力—OK。

第7步：顯示結(jié)果：Start-Prof Main Menu：顯示應(yīng)力—OK。

若三通當(dāng)量應(yīng)力不滿足式(2)要求，調(diào)整總管、直支管、側(cè)支管的壁厚，直到三通當(dāng)量應(yīng)力滿足式(2)要求。

② 三通處于錨固段

當(dāng)三通處于錨固段時的管段模型見圖2。三通處于錨固段內(nèi)，側(cè)支管下游管段布置成Z型管段(末端為自由端)。Z型管段第一個彎頭的短臂臂長為L1，長臂長度為L2，設(shè)定L2=2L1。變形段長度Le為13.7 m。

圖2 當(dāng)三通處于錨固段時的管段模型

a.鋼材的影響

當(dāng)安裝溫度為10 ℃、長臂長度為16 m時，3種鋼材三通最小允許壁厚見表2。由表2可知，當(dāng)三通處于錨固段時，若鋼材采用Q235B，壁厚過大，三通的制造非常困難，與上下游直管焊接也將出現(xiàn)問題。因此，推薦采用20、Q345B材質(zhì)，從而減小三通的壁厚。

表2 安裝溫度為10 ℃、長臂長度為16 m時3種材質(zhì)三通最小允許壁厚

b.長臂長度的影響

當(dāng)安裝溫度為10 ℃時，不同長臂長度下20、Q345B三通最小允許壁厚見表3。由表3可知，當(dāng)三通處于錨固段時，若長臂長度過小，三通最小允許壁厚過大。應(yīng)適當(dāng)增大長臂長度，有助于減小三通最小允許壁厚。當(dāng)長臂長度增至2倍變形段長度后，三通最小允許壁厚基本不發(fā)生變化?？紤]造價以及焊接材料的兼容性，三通材質(zhì)推薦采用20。

表3 安裝溫度為10 ℃時不同長臂長度下20、Q345B三通最小允許壁厚

c.安裝溫度的影響

安裝溫度為65 ℃時，不同長臂長度下20三通最小允許壁厚見表4。由表3、4可知，當(dāng)補償臂長一定時，采用預(yù)熱安裝的三通最小允許壁厚基本比冷安裝小。

表4 安裝溫度為65 ℃時不同長臂長度下20三通最小允許壁厚

d.分析

由模擬結(jié)果可知，處于錨固段時，三通承受的軸向力非常大，承受的彎矩比較小。

③ 三通處于過渡段

安裝溫度分別取10、65 ℃，三通材質(zhì)為20。

a.工況1

三通處于過渡段時工況1管段模型見圖3。三通處于過渡段內(nèi)(總管上游錨固，直支管下游為90°彎頭)，側(cè)支管下游管段布置成Z型管段(末端為自由端)。Z型管段第一個彎頭的短臂臂長為L1，長臂長度為L2，設(shè)定L2=2L1。由安裝溫度升至工作溫度后，總管、直支管熱膨脹方向與Z型管段長臂位移方向相反。變形段長度Le為13.7 m。

圖3 三通處于過渡段時工況1管段模型

安裝溫度分別為10、65 ℃時，模擬得到的不同長臂長度20三通最小允許壁厚見表5。由表5可知，對于工況1，當(dāng)長臂長度一定時，安裝溫度為65 ℃的三通最小允許壁厚比安裝溫度為10 ℃時小。安裝溫度一定時，長臂越長，三通最小允許壁厚越小。

表5 工況1安裝溫度分別為10、65 ℃時不同長臂長度20三通最小允許壁厚

b.工況2

三通處于過渡段時工況2管段模型見圖4。三通處于過渡段內(nèi)(總管上游錨固，直支管下游為90°彎頭)，側(cè)支管下游管段布置成Z型管段(末端為自由端)。Z型管段第一個彎頭的短臂臂長為L1，長臂長度為L2，設(shè)定L2=2L1。由安裝溫度升至工作溫度后，總管、直支管位移方向與Z型管段長臂位移方向一致。

圖4 三通處于過渡段時工況2管段模型

安裝溫度分別為10、65 ℃時，不同長臂長度20三通最小允許壁厚見表6。由表6可知，對于工況2，當(dāng)長臂長度一定時，安裝溫度為65 ℃的三通最小允許壁厚比安裝溫度為10 ℃時小。安裝溫度一定時，隨著長臂長度增大，三通最小允許壁厚有增大的趨勢。

表6 工況2安裝溫度分別為10、65 ℃時不同長臂長度20三通最小允許壁厚

3.4 分析

由模擬結(jié)果可知，考慮全部荷載條件下，三通處于錨固段時，承受的軸向力非常大，承受的彎矩比較小。三通處于過渡段時，無論工況1還是工況2，三通承受的軸向力均比較小，承受的彎矩比較大。分析可知，承受高彎矩時三通最小允許壁厚要比承受高軸向力時大，這是由于三通失效的主要原因是疲勞破壞，而彎矩是產(chǎn)生疲勞的主要原因。

4 結(jié)論

① 全部荷載條件下的三通最小允許壁厚大于僅考慮內(nèi)壓條件下的壁厚。

② 預(yù)熱安裝可使三通最小允許壁厚減小，但減小幅度有限。

③ 采用較高強度鋼材可減小三通最小允許壁厚。

④ 三通位于錨固段內(nèi)將承受較大的軸向力。

⑤ 當(dāng)三通位于過渡段時，總管、直支管熱膨脹方向與Z型管段長臂熱膨脹方向應(yīng)保持一致，且Z型管段長臂長度應(yīng)小于2倍的變形段長度。

⑥ 承受高彎矩時三通最小允許壁厚要比承受高軸向力時大，這是由于三通失效的主要原因是疲勞破壞，而彎矩是產(chǎn)生疲勞的主要原因。