压力管道开孔补强分析.doc

压力管道开孔补强分析胡长庆陈凌(中冶赛迪公司动力设计部动力研究室重庆400013)[摘要]针对冶金行业大管道开孔的补强，本文通过Ansys11.0对冶金行业中常见的人字接管和斜接管进行了补强分析，详细比较了不同补强方式对接管结构应力集中的影响，为冶金行业接管补强的选择提供了理论依据，具有较为重要的意义。[关键词]人字接管斜接管等面积补强控制变形补强1引言管道结构广泛应用于冶金、动力、石油、化工及机械等行业，是许多工厂的重要组成部分。为了满足使用需要，管道上通常需要开孔接管或连接三通，这样就造成管道的不连续，局部存在应力集中。对于冶金行业来说，存在大量管道与管道之间的斜接以及连通结构，这些结构形式相对比较复杂，在研究中除了考虑载荷工况、直径大小外，还需要考虑接管交角对结构强度的影响，目前对其的应力分析主要靠经验进行[1,2,3]；另外，冶金行业里的接管大都直径较大，管道开孔相贯处的强度削弱极为明显。因此，研究管道开孔的补强，是具有较为重要的实际意义的。本文以两个工程实例[4,5]为对象，对冶金行业中常见的人字接管和斜接管的开孔补强进行了详细的分析，为冶金行业接管补强的选择提供了理论依据。2研究背景开孔补强设计是压力容器设计[6]中的一个重要部分，开孔除削弱器壁的强度外，在壳体和接管的连接处，由于结构的连续性被破坏，会产生很高的局部应力集中，导致该区域薄弱而易发生失效，给压力容器的安全运行带来隐患甚至出现事故。在冶金工程的管道设计中，管道往往开孔就是大开孔，或者接管主管等直径，或者接管比主管略小，在这些情况下，接管和主管的相贯处强度削弱极为明显[7]。图1为宝钢工程中煤气管道两种典型的接管方式示意，(a)为人字接管，(b)为斜接管。图中(a)、(b)所示接管均为大直径接管，(a)中利用人字接管将DN2200的大管分成两段DN1200的小管，(b)中利用DN1600的30°斜接管连接DN1800和DN1600的两段管道。在实际的工程应用中，图1(a)所示人字接管在接管相交的“裤裆”处出现极高的应力，图1(b)所示斜接管在斜接管与小管相交的锐角端出现断裂事故，事故发生位置如图1所示。为分析上述两种事故的原因，本文以ansys11.0为工具，对图1所示的两种接管进行了应力分析，在此基础上，全面详细的比较了工程上各种补强方式的效果，为冶金行业接管补强的选择提供了理论依据，具有较为重要的工程实际意义。事故处(b)图1煤气管道接管两例3事故分析针对图1所示的两类接管(a)、(b)，利用ansys11.0进行了应力分析，分析结果表明：1)对图1(a)的接管形式，最大应力出现在接管相交的“裤裆”处，变形的最大处不和最大应力处重合，出现在沿相贯线回转约90°的地方，即图(a)中的“肚脐”附近，其发生的机制为管道在内压作用下的“趋圆”变形特征。2)对图1(b)的接管形式，在接管处的锐角部位，出现了很高的应力集中，最大应力处和事故位置一致；变形的最大处出现在接管相贯处，部位为最大应力处沿相贯线回转约90°的钝角部位附近，该部位在“内压趋圆”时显然是最易变形。上述分析表明，对于人字接管和斜接管而言，由于几何结构不连续，管道壁厚不足，在承受应力的情况下产生了较大的应力集中，导致断裂，计算结果和实际的事故情况是吻合的。上述两种接管形式局部应力很高，故须做适当的开孔补强以降低接管区域的应力集中。本文先从传统的等面积法入手，在补强效果欠佳时再着眼于控制变形来控制应力，效果明显。4等面积补强法管道的开孔补强传统上多采用等面积法，其方法是：对开孔而被削弱的部位补强加厚，补焊的面积应等于开孔去掉的钢板面积。图1(a)人字接管的等面积补强方式见图2，其中补强范围(图2(a)红色区域、图2(b)红色区域、图2(c)绿色区域、图2(d)蓝色区域)从(a)至(d)依次增大，计算结果见表1。(a)(b)(c)(d)图2人字接管等面积补强法示意图表1人字接管等面积补强效果一次＋二次应力强度（MPa）应力强度降低补强模型补强前2260方式120609％图2(a)方式2165027％图2(b)方式3141038％图2(c)方式492059％图2(d)由表1可见，随着补强区域的扩大，局部应力强度逐渐下降，但应力强度最大值仍然很高。图1(b)斜接管的等面积补强方式见图3，图3所示为斜接管开孔处的补强范围。图3的计算结果见表2。由表2可见，尽管等面积补强可以使局部应力强度