壓力管道開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)分析

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?xún)蓚€(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(zhuān)

門(mén)高的局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致該區(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ansysll.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(lèi)接管(a)、(b),利用ansysll.O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(zhuān)

門(mén)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(zhuān)門(mén)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。

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(a)至(d)依次增

大，運(yùn)算結(jié)果見(jiàn)表1。

(a)(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

一次十二次應(yīng)力強(qiáng)度(MPa)就強(qiáng)度降低補(bǔ)強(qiáng)模型

補(bǔ)

前

強(qiáng)60

22

方

式

1609%圖2z

20<a\

\7

方

式

16圖

250%2Zb\.

1427e7

方

式

圖

3l0%2ze\

9238(

x7

方

圖

式359d

4%2zJX

2fkZ

由表1可見(jiàn)，隨著補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域的擴(kuò)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(zhuān)門(mén)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(zhuān)門(mén)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(lèi)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)

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

式來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體如圖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

字接管采納加中間F強(qiáng)度大幅降低，補(bǔ)強(qiáng)

成效明顯。

圖4人字接管隔板補(bǔ)強(qiáng)示意圖

表3人字接管隔板補(bǔ)強(qiáng)成效

一次十二次應(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4

5.2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)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)

前

強(qiáng)1177

方

式1

0（不開(kāi)孔）18684%圖5(a)

方

式2

~25%18884%圖5(b)

方

式3

-50%18584%圖5(c)

方

式4

~75%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)廊H77

方式11倍壁厚44262%

方式21.5倍壁厚34771%

方式32倍壁厚28776%

方式42.5倍壁厚25678%

圖7是采納加大筋對(duì)斜接管進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)的示意圖。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

一次十二次應(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7

6結(jié)論

本文以?xún)蓚€(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，采納中間隔板進(jìn)行內(nèi)補(bǔ)強(qiáng)，具有較好的補(bǔ)強(qiáng)成

效。

3)關(guān)于斜接管，采納隔板內(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