壓力管道開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)分析

1、壓力管道開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)分析胡長(zhǎng)慶 陳 凌（中冶賽迪公司動(dòng)力設(shè)計(jì)部動(dòng)力研究室重慶 400013 ）摘要針對(duì)冶金行業(yè)大管道開(kāi)孔的補(bǔ)強(qiáng)，本文通過(guò)Ansysll.O對(duì)冶金行 業(yè)中常見(jiàn)的人字接管和斜接管進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)分析，詳細(xì)比較了不同補(bǔ)強(qiáng)方式 對(duì)接管結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的阻礙，為冶金行業(yè)接管補(bǔ)強(qiáng)的選擇提供了理論依據(jù)， 具有較為重要的意義。 關(guān)鍵詞 人字接管 斜接管 等面積補(bǔ)強(qiáng) 操縱變形補(bǔ)強(qiáng)1 引言 管道結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于冶金、動(dòng)力、石油、化工及機(jī)械等行業(yè)，是許多 工廠的重要組成部分。為了滿足使用需要，管道上通常需要開(kāi)孔接管或連 接三通，如此就造成管道的不連續(xù)，局部存在應(yīng)力集中。關(guān)于冶金行業(yè)來(lái)講，存在大量管道與管道之間的斜接

2、以及連通結(jié)構(gòu)， 這些結(jié)構(gòu)形式相對(duì)比較復(fù)雜，在研究中除了考慮載荷工況、直徑大小外， 還需要考慮接管交角對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的阻礙，目前對(duì)其的應(yīng)力分析要緊靠體會(huì) 進(jìn)行1,2,3；另外，冶金行業(yè)里的接管大都直徑較大，管道開(kāi)孔相貫處的強(qiáng) 度削弱極為明顯。因此，研究管道開(kāi)孔的補(bǔ)強(qiáng)，是具有較為重要的實(shí)際意 義的。本文以兩個(gè)工程實(shí)例 4,5為對(duì)象，對(duì)冶金行業(yè)中常見(jiàn)的人字接管和 斜接管的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為冶金行業(yè)接管補(bǔ)強(qiáng)的選擇提供了 理論依據(jù)。2 研究背景開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)是壓力容器設(shè)計(jì) 6中的一個(gè)重要部分，開(kāi)孔除削弱器壁 的強(qiáng)度外，在殼體和接管的連接處，由于結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，會(huì)產(chǎn)生專 門高的局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致該

3、區(qū)域薄弱而易發(fā)生失效，給壓力容器的安全 運(yùn)行帶來(lái)隱患甚至顯現(xiàn)事故。在冶金工程的管道設(shè)計(jì)中，管道往往開(kāi)孔確 實(shí)是大開(kāi)孔，或者接管主管等直徑，或者接管比主管略小，在這些情形下， 接管和主管的相貫處強(qiáng)度削弱極為明顯 7。圖1為寶鋼工程中煤氣管道兩種典型的接管方式示意，（a）為人字接管， （b）為斜接管。圖中（a）、（b）所示接管均為大直徑接管，（a）中利用人字接管將DN2200的大管分成兩段DN1200的小管，(b)中利用DN1600的30°斜接 管連接DN1800和DN1600的兩段管道。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，圖1(a)所示人字接管在接管相交的“褲襠”處顯 現(xiàn)極高的應(yīng)力，圖1(b)所示斜接

4、管在斜接管與小管相交的銳角端顯現(xiàn)斷裂 事故，事故發(fā)生位置如圖1所示。為分析上述兩種事故的緣故，本文以 an sysll.O為工具，對(duì)圖1所示的 兩種接管進(jìn)行了應(yīng)力分析，在此基礎(chǔ)上，全面詳細(xì)的比較了工程上各種補(bǔ) 強(qiáng)方式的成效，為冶金行業(yè)接管補(bǔ)強(qiáng)的選擇提供了理論依據(jù)，具有較為重 要的工程實(shí)際意義。(b)圖1煤氣管道接管兩例3事故分析針對(duì)圖1所示的兩類接管(a)、(b),利用ansys11.0進(jìn)行了應(yīng)力分析，分 析結(jié)果表明：1)對(duì)圖1(a)的接管形式，最大應(yīng)力顯現(xiàn)在接管相交的“褲襠” 處，變形的最大處不和最大應(yīng)力處重合，顯現(xiàn)在沿相貫線回轉(zhuǎn)約90°的地點(diǎn)，即圖(a)中的“肚臍”鄰近，其發(fā)生的

5、機(jī)制為管道在內(nèi)壓作用下的“趨 圓”變形特點(diǎn)。2)對(duì)圖1(b)的接管形式，在接管處的銳角部位，顯現(xiàn)了專 門高的應(yīng)力集中，最大應(yīng)力處和事故位置一致；變形的最大處顯現(xiàn)在接管相貫處，部位為最大應(yīng)力處沿相貫線回轉(zhuǎn)約90°的鈍角部位鄰近，該部位在“內(nèi)壓趨圓”時(shí)明顯是最易變形。上述分析表明，關(guān)于人字接管和斜接管而言，由于幾何結(jié)構(gòu)不連續(xù)， 管道壁厚不足，在承擔(dān)應(yīng)力的情形下產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致斷裂， 運(yùn)算結(jié)果和實(shí)際的事故情形是吻合的。上述兩種接管形式局部應(yīng)力專門高，故須做適當(dāng)?shù)拈_(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)以降低接 管區(qū)域的應(yīng)力集中。本文先從傳統(tǒng)的等面積法入手，在補(bǔ)強(qiáng)成效欠佳時(shí)再 著眼于操縱變形來(lái)操縱應(yīng)力，成效明顯。

6、4等面積補(bǔ)強(qiáng)法管道的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)傳統(tǒng)上多采納等面積法，其方法是：對(duì)開(kāi)孔而被削弱 的部位補(bǔ)強(qiáng)加厚，補(bǔ)焊的面積應(yīng)等于開(kāi)孔去掉的鋼板面積。圖1(a)人字接管的等面積補(bǔ)強(qiáng)方式見(jiàn)圖2,其中補(bǔ)強(qiáng)范疇(圖2(a)紅色區(qū) 域、圖2(b)紅色區(qū)域、圖2(c)綠色區(qū)域、圖2(d)藍(lán)色區(qū)域)從至(d)依次增 大，運(yùn)算結(jié)果見(jiàn)表1。(b)(C)(d)圖2人字接管等面積補(bǔ)強(qiáng)法示意圖表1人字接管等面積補(bǔ)強(qiáng)成效一次+二次應(yīng)力強(qiáng)度( MPa)應(yīng)力強(qiáng)度降低補(bǔ)強(qiáng)模型補(bǔ)強(qiáng)前2260方式120609%圖 2(a)方式2165027 %圖 2(b)方式3141038 %圖 2(c)方式492059 %圖 2(d)由表1可見(jiàn)，隨著補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域的擴(kuò)

7、大，局部應(yīng)力強(qiáng)度逐步下降，但應(yīng)力 強(qiáng)度最大值仍舊專門高。圖1(b)斜接管的等面積補(bǔ)強(qiáng)方式見(jiàn)圖3,圖3所示為斜接管開(kāi)孔處的補(bǔ) 強(qiáng)范疇。圖3的運(yùn)算結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，盡管等面積補(bǔ)強(qiáng)能夠使局部應(yīng)力強(qiáng)度迅速下降，但最大 應(yīng)力仍舊專門高。表2斜接管等面積補(bǔ)強(qiáng)成效一次+二次應(yīng)力強(qiáng)度( MPa)應(yīng)力強(qiáng)度降低補(bǔ)強(qiáng)模型補(bǔ)強(qiáng)前1177補(bǔ)強(qiáng)后64345%圖3圖3斜接管等面積補(bǔ)強(qiáng)法示意圖綜上所述，對(duì)圖1所示的兩類接管（a）、（b）采納等面積補(bǔ)強(qiáng)方法補(bǔ)強(qiáng), 其成效均不理想。5操縱變形補(bǔ)強(qiáng)法操縱變形法是通過(guò)對(duì)最大變形處進(jìn)行限制來(lái)達(dá)到減小局部應(yīng)力的目 的，此次研究中分別采取桿單元和面單元對(duì)最大變形處進(jìn)行操縱，分別模 擬

8、實(shí)際情形中用隔板、角鋼和加大筋進(jìn)行操縱變形補(bǔ)強(qiáng)的情形。5.1人字接管的操縱變形補(bǔ)強(qiáng)式來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體如圖 字接管采納加中間隔 成效明顯。人字接管的操縱變形補(bǔ)強(qiáng)要緊通過(guò)在最大變形位置處加中間隔板的方4所示。補(bǔ)強(qiáng)的運(yùn)算結(jié)果見(jiàn)表3，從表3能夠看出，人sAN板來(lái)進(jìn)行操縱變形補(bǔ)強(qiáng)后，應(yīng)力強(qiáng)度大幅降低，補(bǔ)強(qiáng)中間隔板圖4人字接管隔板補(bǔ)強(qiáng)示意圖表3人子接管隔板補(bǔ)強(qiáng)成效一次+二次應(yīng)力強(qiáng)度（ MPa）應(yīng)力強(qiáng)度降低補(bǔ)強(qiáng)模型補(bǔ)強(qiáng)前2260補(bǔ)強(qiáng)后34685%圖45.2斜接管的操縱變形補(bǔ)強(qiáng)斜接管的操縱變形補(bǔ)強(qiáng)要緊通過(guò)在最大變形位置處加隔板、角鋼以及加大筋來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體如圖5、圖6及圖7所示（a）隔板不開(kāi)孔（b）隔板開(kāi)單孔（c）

9、隔板開(kāi)雙孔（d）隔板大面積開(kāi)孔圖5斜接管隔板補(bǔ)強(qiáng)示意圖6斜接管角鋼補(bǔ)強(qiáng)示意圖7斜接管加大筋補(bǔ)強(qiáng)示意圖5是采納隔板對(duì)斜接管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的示意圖。隔板補(bǔ)強(qiáng)用面單元進(jìn)行 模擬，考慮煤氣管道中的氣體流量，隔板補(bǔ)強(qiáng)后必須留夠足夠的空間，為 找出最優(yōu)的方法，采納了如下（a）（d）四種隔板補(bǔ)強(qiáng)方式進(jìn)行模擬，補(bǔ)強(qiáng)的結(jié) 果如表4所示。由表4可知，當(dāng)隔板開(kāi)孔面積不大于 50%時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度大 幅降低，補(bǔ)強(qiáng)成效明顯。圖6是采納角鋼對(duì)斜接管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的示意圖。角鋼補(bǔ)強(qiáng)用面單元進(jìn)行 模擬，沿斜接管的相貫線加角鋼，角鋼用面單元模擬，角鋼的厚度由單元 厚度操縱，具體如圖6所示。角鋼補(bǔ)強(qiáng)法的成效要緊受角鋼厚度的阻礙， 分別取角鋼厚度

10、為1、1.5、2、2.5倍壁厚進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)果如表5所示。由 表5可見(jiàn)，隨著角鋼厚度的增大，補(bǔ)強(qiáng)成效的增加是明顯的，但應(yīng)力強(qiáng)度降低的幅度相比隔板補(bǔ)強(qiáng)顯得不足。表4 斜接管隔板補(bǔ)強(qiáng)成效開(kāi)孔面積百分比一次+二次應(yīng)力強(qiáng)度（MPa） 應(yīng)力強(qiáng)度降低 補(bǔ)強(qiáng)模型補(bǔ)強(qiáng)前1177方式10（不開(kāi)孔）18684%圖 5(a)方式225%18884%圖 5(b)方式350%18584%圖 5(c)方式475%42764%圖 5(d)表5斜接管角鋼補(bǔ)強(qiáng)成效角鋼厚度一次+二次應(yīng)力強(qiáng)度（MPa)應(yīng)力強(qiáng)度降低補(bǔ)強(qiáng)前1177方式11倍壁厚44262 %方式21.5倍壁厚34771 %287256圖7是采納加大筋對(duì)斜接管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的

11、示意圖。加大筋補(bǔ)強(qiáng)用桿單元 進(jìn)行模擬，在最大變形處的相貫線上找出對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，再連接成桿單元， 見(jiàn)圖6。補(bǔ)強(qiáng)的結(jié)果如表6所示。由表6可知，斜接管采納加大筋進(jìn)行操縱 變形補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度降低不多，補(bǔ)強(qiáng)成效不明顯。表6斜接管加大筋補(bǔ)強(qiáng)成效一次+二次應(yīng)力強(qiáng)度（ MPa）應(yīng)力強(qiáng)度降低補(bǔ)強(qiáng)模型補(bǔ)強(qiáng)前1177補(bǔ)強(qiáng)后91722%圖76結(jié)論本文以兩個(gè)工程實(shí)例為對(duì)象，對(duì)冶金行業(yè)中常見(jiàn)的人字接管和斜接管 的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得到如下結(jié)論：1）當(dāng)?shù)让娣e法的補(bǔ)強(qiáng)成效較差時(shí)，能夠按照“內(nèi)壓趨圓”現(xiàn)象， 找到變形最大處，試從操縱變形的角度來(lái)操縱應(yīng)力。2）關(guān)于人字接管，米納中間隔板進(jìn)行內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)，具有較好的補(bǔ)強(qiáng)成 效。3

12、）關(guān)于斜接管，米納隔板內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)和角鋼外補(bǔ)強(qiáng)均具有較好的補(bǔ)強(qiáng) 成效，相比較而言，隔板內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)成效更好，但對(duì)管道內(nèi)氣路可能產(chǎn)生不利 阻礙，而角鋼外補(bǔ)強(qiáng)可在管道外部進(jìn)行，施工較為方便，且不阻礙管道內(nèi) 工藝過(guò)程。4）關(guān)于斜接管，采納加大筋內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)成效較差。參考文獻(xiàn)1 馬愛(ài)梅，鹿曉陽(yáng).管道開(kāi)孔接管和三通設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析 J.機(jī)械設(shè) 計(jì)與制造，2007:5051.2 路民旭，陳迎鋒，董紹華等.管道修理補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)及其進(jìn)展趨勢(shì)J. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2005（24）:130132.3 林楊杰，桑芝富，張?jiān)旅?內(nèi)壓作用下斜接管結(jié)構(gòu)塑性極限載荷的 試驗(yàn)研究J.化工設(shè)備設(shè)計(jì),1999, 36（6）:1418.4 陳凌.寶鋼Corex工程斜接管分析R.重慶：中冶賽迪工程技