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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。
(a)(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1
2060
9%
图2(a)
方式2
1650
27%
图2(b)
方式3
1410
38%
图2(c)
方式4
920
59%
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迅速下降,但最大应力仍然很高。
表2 斜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
1177
补强后
643
45%
图3
图3 斜接管等面积补强法示意图
综上所述,对图1所示的两类接管(a)、(b)采用等面积补强方法补强,其效果均不理想。
5 控制变形补强法
控制变形法是通过对最大变形处进行限制来达到减小局部应力的目的,本次研究中分别采取杆单元和面单元对最大变形处进行控制,分别模拟实际情况中用隔板、角钢和加强筋进行控制变形补强的情况。
5.1 人字接管的控制变形补强
人字接管的控制变形补强主要通过在最大变形位置处加中间隔板的方式来实现,具体如图4所示。补强的计算结果见表3,从表3可以看出,人字接管采用加中间隔板来进行控制变形补强后,应力强度大幅降低,补强效果明显。
图4 人字接管隔板补强示意图
表3 人字接管隔板补强效果
一次+二次应力强度(MPa)
应力强度降低
补强模型
补强前
2260
补强后
346
85%
图4
5.2 斜接管的控制变形补强
斜接管的控制变形补强主要通过在最大变形位置处加隔板、角钢以及加强筋来实现,具体如图5、图6及图7所示。
(a) 隔板不开孔 (b) 隔板开单孔
(c) 隔板开双孔 (d) 隔板大面积开孔
图5 斜接管隔板补强示意
图6 斜接管角钢补强示意 图7 斜接管加强筋补强示意
图5是采用隔板对斜接管进行补强的示意图。隔板补强用面单元进行模拟,考虑煤气管道中的气体流量,隔板补强后必须留够足够的空间,为找出最优的方法,采用了如下(a)~(d)四种隔板补强方式进行模拟,补强的结果如表4所示。由表4可知,当隔板开孔面积不大于50%时,应力强度大幅降低,补强效果明显。
图6是采用角钢对斜接管进行补强的示意图。角钢补强用面单元进行模拟,沿斜接管的相贯线加角钢,角钢用面单元模拟,角钢的厚度由单元厚度控制,具体如图6所示。角钢补强法的效果主要受角钢厚度的影响,分别取角钢厚度为1、1.5、2、2.5倍壁厚进行计算,结果如表5所示。由表5可见,随着角钢厚度的增大,补强效果的增加是明显的,但应力强度降低的幅度相比隔板补强显得不足。
表4 斜接管隔板补强效果
开孔面积百分比
一次+二次应力强度(MPa)
应力强度降低
补强模型
补强前
1177
方式1
0(