90°支管座的結(jié)構(gòu)問題和補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

郭順顯，應(yīng)道宴

（1. 江陰市南方管件制造有限公司，江蘇 江陰 214437；2. 全國鍋爐和壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)管道分會(huì)，上海 200040）

支管座標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19326—2012[1]實(shí)施以來，收集到的反饋意見主要反映了兩個(gè)方面的問題，一是部分規(guī)格的90°支管座由于外徑偏大、本體厚度偏厚，導(dǎo)致在安裝時(shí)的過度焊接；二是對45°支管座、彎頭支管座、法蘭支管座和薄壁支管座等品種的使用日漸增多，而標(biāo)準(zhǔn)對此尚無規(guī)定。針對支管座標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施以來的反饋意見，建議在標(biāo)準(zhǔn)修訂中解決。本篇主要討論第一個(gè)問題。為敘述方便，文中提到的支管座均指對焊90°支管座。

1 支管座的開孔結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，2012 版標(biāo)準(zhǔn)中支管座的內(nèi)部幾何形狀由錐孔和直孔兩部分構(gòu)成。

圖1 內(nèi)部帶錐孔的支管座Fig.1 Outlet with internal taper hole

錐孔形狀的設(shè)計(jì)初衷是考慮降低管道內(nèi)流體在分支轉(zhuǎn)彎處產(chǎn)生的應(yīng)力，起到類似于擠壓成形三通分支處對流體應(yīng)力的改善作用。

事物往往具有兩面性。與主管連接處的錐孔在降低分支部位應(yīng)力的同時(shí)，主管開孔尺寸d1也增大，需要支管座提供的補(bǔ)強(qiáng)面積也相應(yīng)增大。為滿足主管開孔部位的補(bǔ)強(qiáng)要求，支管座的本體厚度t需要增大，故本體外徑D1也相應(yīng)增大，由此引起部分規(guī)格的支管座在與主管焊接時(shí)熱輸入過大，可能會(huì)導(dǎo)致主管局部焊接應(yīng)力過大的后果或與主管焊接部位處發(fā)生變 形。

2012 版（包括之前的2002 版）標(biāo)準(zhǔn)的支管座其結(jié)構(gòu)和主要尺寸參考了MSS SP-75[2]標(biāo)準(zhǔn)和Bonney Forge 公司之前的產(chǎn)品樣本，并對一些規(guī)格的支管座進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)和強(qiáng)度計(jì)算[3]。

鑒于部分支管座安裝中出現(xiàn)的情況，建議修改開孔結(jié)構(gòu)，將錐孔變?yōu)橹笨?，縮小主管開孔直徑，減少需要的補(bǔ)強(qiáng)面積，使支管座的厚度與本體外徑相應(yīng)減小，以期解決焊接安裝時(shí)出現(xiàn)的問題。

在此期間發(fā)現(xiàn)Bonney Forge 公司網(wǎng)頁上商標(biāo)為WFI 的支管座產(chǎn)品樣本[4]中亦將錐孔修改為直孔。這似乎也說明了帶錐孔的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)引發(fā)的問題不是個(gè)案，已引起專業(yè)制造商的注意并變更了產(chǎn)品內(nèi)部幾何結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

建議修訂后的支管座的結(jié)構(gòu)見圖2，去除了錐孔部分，將內(nèi)孔變?yōu)橹笨住?/p>

圖2 內(nèi)部為直孔的支管座Fig.2 Outlet with straight hole inside

2 支管座的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算

2.1 補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的條件

支管座的內(nèi)部結(jié)構(gòu)修改為直孔后，主管開孔尺寸變小，需要支管座提供的補(bǔ)強(qiáng)面積也相應(yīng)減少，支管座的厚度、本體外徑尺寸將發(fā)生變化，應(yīng)按補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算、應(yīng)力分析或設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果在標(biāo)準(zhǔn)中給出支管座的相關(guān)尺寸，以方便設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)對標(biāo)準(zhǔn)的使用。其中補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算是相對保守且簡便的一種方法，故建議采用補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的方法確定標(biāo)準(zhǔn)中支管座的相關(guān)參數(shù)。

對于管道工程中的個(gè)案，在已知條件包括了材料、設(shè)計(jì)壓力、溫度、腐蝕裕度、所連接主管和支管厚度等參數(shù)的情況下，按照適用的設(shè)計(jì)規(guī)范，可完成支管座提供補(bǔ)強(qiáng)所需要的本體厚度與外徑等相關(guān)尺寸的計(jì)算。

對于擬修訂標(biāo)準(zhǔn)中的支管座，在無法明確這些已知條件的情況下，要從眾多相關(guān)規(guī)范中選擇適用的計(jì)算方法從而得出相關(guān)結(jié)果，是需要重點(diǎn)解決的問題。

在補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限定，同時(shí)為簡化計(jì)算，應(yīng)考慮以下條件：

（1） 所連接的支管壁厚代號(hào)（例如STD、XS、Sch160 或XXS）與主管壁厚代號(hào)相一致，即不同公稱尺寸的支管與主管的壁厚按同一壁厚代號(hào)所示的壁厚值選取；

（2） 所連接的主管公稱尺寸限定在一定范圍之內(nèi)；

（3） 負(fù)公差設(shè)定為0；

（4） 腐蝕裕度設(shè)定為0；

（5） 所連接的支管計(jì)算厚度按支管與主管相同的厚徑比tb=Db（Th/Dh）計(jì)算：

（6） 在限定的主管公稱尺寸范圍內(nèi)采用最小補(bǔ)強(qiáng)裕量時(shí)的數(shù)據(jù)，即按極限補(bǔ)強(qiáng)條件確定本體厚度和外徑；

（7） 補(bǔ)強(qiáng)面積僅從支管座本體的多余面積加上與主管焊接相連的敷熔金屬所形成的焊縫面積處取得，主管提供的多余面積因無法確定，故不予考慮；

（8） 為保持與原標(biāo)準(zhǔn)的延續(xù)性和與MSS SP-97標(biāo)準(zhǔn)的通用性，補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度L應(yīng)盡量適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)高度A。

2.2 補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的方法

在相關(guān)規(guī)范提供的開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算中，支管直接焊于主管上的等面積法和整體加強(qiáng)的擠壓成型出口的等面積法在GB/T 20801.3[5]、ASME B31.1[6]和ASME B31.3[7]等規(guī)范中均有詳細(xì)描述；另外，在ASME BPVC VIII .2[8]和BS EN 13480-3[9]等規(guī)范中也提供了壓力面積法或壓力面積加應(yīng)力計(jì)算法等開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算方法。

顯然，對于通用的標(biāo)準(zhǔn)支管座，在不明確管道工程中個(gè)案參數(shù)的情況下，其補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算只能采用等面積法。

分析發(fā)現(xiàn)，在無法考慮主管多余面積的前提下，補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度L的大小將直接影響支管座本體厚度與焊縫所提供的補(bǔ)強(qiáng)面積是否夠用。也就是說這種補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算希望有一個(gè)相對較大且盡量適應(yīng)支管座結(jié)構(gòu)高度A的補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度L。

有關(guān)文獻(xiàn) [10]研究表明，等面積法和壓力面積法的計(jì)算原理實(shí)際上是完全相同的，即主管開孔去除的截面積由規(guī)定補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的其他多余金屬截面積來補(bǔ)償，兩者的差別僅在于對補(bǔ)強(qiáng)范圍設(shè)定的不同。

根據(jù)這一研究結(jié)論，采用了上述規(guī)范中提供的不同補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度公式按等面積法分別計(jì)算，并進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的對比。

2.3 補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的結(jié)果

以厚度STD 的計(jì)算為例，依據(jù)上述規(guī)范中的補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度公式，采用等面積法計(jì)算的等于或大于DN15 的支管座本體外徑見圖3，補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度見圖4。作為對比樣本，圖3 中同時(shí)列出了Bonney Forge 公司W(wǎng)FI 商標(biāo)的本體外徑和2012 版標(biāo)準(zhǔn)的本體外徑。WFI 的樣本中說明了支管座的尺寸是按照設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果所確定的。

圖3、圖4 中補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度的符號(hào)使用了各規(guī)范的原符號(hào)：

圖4 厚度為STD 的支管座補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度對比圖Fig.4 The height of reinforcement zone contrast of outlet with STD WT.

L4—— GB/T 20801.3、ASME B31.1 和ASME B31.3 中支管直接焊于主管上的補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度；

L5—— GB/T 20801.3、ASME B31.1 和ASME B31.3 中整體補(bǔ)強(qiáng)的擠壓成型出口的補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度；

LH—— ASME BPVC VIII .2 的4.5.5 中圓柱形殼體上徑向管嘴的補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度；

lb—— BS EN 13480-3 的8.4.3 中開孔和分支連接的補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度。

因WFI 樣本中無DN90 和DN125 的尺寸，為保持折線的連續(xù)，圖3 中的這兩個(gè)尺寸為酌情加入。需要說明的是，WFI 樣本中STD 與XS 的本體外徑相等，Sch160 與XXS 的本體外徑相等。

圖3 厚度為STD 的支管座外徑對比圖Fig.3 The O.D. contrast of outlet with STD WT.

根據(jù)表中STD 厚度按不同補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度計(jì)算的數(shù)據(jù)對比如下（因篇幅所限，以下對比中提及的其他厚度計(jì)算的內(nèi)容未在文中列出圖表）：

L4—— 補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)構(gòu)高度差距過大；部分規(guī)格的本體外徑大于原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。故不適用。

L5—— 補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)構(gòu)高度相適應(yīng)；本體外徑小于原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值（其他厚度的計(jì)算中除小部分規(guī)格略大于原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值外，均小于原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值）。但因規(guī)范中說明這一方法用于擠壓成型出口的補(bǔ)強(qiáng)，為避免在概念上的爭議，故未采 用。

LH—— 部分規(guī)格的補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)構(gòu)高度不相適應(yīng)（在其他厚度的計(jì)算中多數(shù)規(guī)格的補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)構(gòu)高度，如調(diào)整的話，計(jì)算后本體外徑將增大許多）；本體外徑小于原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。因補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度相差過大的問題，故不宜采用。

lb—— 部分規(guī)格的補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度值略大，需要調(diào)整以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)構(gòu)高度；本體外徑小于原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值（厚度Sch160 的部分規(guī)格略大于原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值）。對部分規(guī)格的補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度重新調(diào)整計(jì)算以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的結(jié)構(gòu)高度后，建議采用。

3 結(jié)論

（1） 在擬修訂的支管座標(biāo)準(zhǔn)中，建議將支管座內(nèi)部的錐孔修改為直孔，用縮小主管開孔直徑的方式來減少所需要的補(bǔ)強(qiáng)面積，使支管座的本體外徑與厚度相應(yīng)減小，盡量避免過度施焊的問題。

（2） 建議采用部分規(guī)格調(diào)整后的補(bǔ)強(qiáng)區(qū)高度lb計(jì)算的支管座本體外徑，可在減少大部分規(guī)格的本體外徑的同時(shí)適應(yīng)與原標(biāo)準(zhǔn)和MSS SP-97 規(guī)范的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)高度規(guī)定，以保持與原標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)性和與國外通用標(biāo)準(zhǔn)的一致性。

（3） WFI 樣本中說明了產(chǎn)品數(shù)據(jù)是按照設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果確定的。從與國外專業(yè)制造商的同類產(chǎn)品參數(shù)對比方面來看，按lb計(jì)算的支管座本體外徑尺寸與WFI 樣本的本體外徑尺寸的相近性也證明這一計(jì)算是安全的。

（4） 根據(jù)現(xiàn)場焊接安裝的現(xiàn)狀，建議在標(biāo)準(zhǔn)修訂中增加焊接指南的內(nèi)容，并在其中對支管座的本體壁厚大于主管壁厚兩倍時(shí)給出焊接建議。通過進(jìn)一步測算表明，大部分規(guī)格的支管座與部分尺寸范圍內(nèi)的主管連接時(shí)，在不用完全焊滿的情況下也能滿足補(bǔ)強(qiáng)要求，這一測算結(jié)果將對防止焊接時(shí)的主管變形和減少焊接工作量有較大意義，關(guān)于這一內(nèi)容將另文敘述。