拔制三通C值对三通受力及爆破压力的影响分析-0.docVIP

拔制三通C值对三通受力及爆破压力的影响分析 赵树炳（中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000） 摘要：以DN1200x1000拔制三通为例，通过有限元分析方法，计算了当拔制三通的C值不断增大时，三通各关键受力部位的应力变化情况，以及对三通爆破压力的影响。分析计算结果表明，当C值小于当前规范给定值时，增加三通C值，能有效减小三通肩部、腹部的应力，三通的爆破压力增加也比较明显，但是当C值大于规范给定值时，C值的变化对各部位的应力影响变小，不能有效提高三通爆破压力。因此在目前各规范规定的C值基础上，再增加C值，不能有效提高拔制三通的强度。 关键词：拔制三通；爆破压力；C值；补强 [作者简介]赵树炳（1983-），男，2009年北京化工大学毕业，硕士，工程师，长期从事长输管道及相关设备的设计及应力分析工作。 电子邮箱：zhaoshubing@ 1前言 目前国内外拔制三通壁厚的计算，仍然是以等面积补强方法为主，各规范对三通的有效补强面积的计算方法略有差异[1-4]，文献1、2、3没有考虑管道腐蚀余量，文献4考虑了腐蚀余量。根据成形后的三通壁厚测量数据，当三通口径较大时，计算得出的有效补强宽度均大于规范所给定的C值，图1为拔制三通示意图。 能否通过增加三通的C值，有效提高拔制三通强度，达到减小三通壁厚，解决高压力、大口径三通面临的设计及制造难题，是目前国内管件行业关注的焦点。 下文采用有限元分析方法，计算分析了当C值变化时，三通各关键受力部位的应力以及三通爆破压力的变化情况，为回答是否需要增加三通C值的问题提供参考。 图1 三通示意图 2分析方法及方法验证 2.1 三通模型尺寸 以DN1200X1000，X80材质三通为例，根据国内外管件规范[5-9]，该规格三通C值为889mm，M值为813mm。根据国内管件厂制造的三通实际测量尺寸，原钢板厚度为44mm时，三通主管壁厚取测量最小值为44mm，支管壁厚取测量最小值为35mm，外倒角平均曲率半径为96mm，内倒角平均曲率半径140mm。分析模型为纯三通模型。 按照文献1等面积补强方法计算得到的有效补强宽度： F=di=1016-2x35=946mm 式中： F为有效补强宽度，mm; di为拔制支管内径，mm 参考相关标准中压力容器开孔补强宽度的取值，以及对应力影响区范围的计算方法[10-11]，C值依次取为508mm(D2/2)、533mm(0.6C*)、622mm(0.7C*)、711mm(0.8C*)、800mm(0.9C*)、1016mm（1.0D2）、1117.5mm(C=(D1+D2)/2)、1219mm（1.0D1）、1500mm，其中C*为当前规范中C取值，D1为主管外径，D2为支管外径。 2.2有限元分析方法及方法验证 2.2.1 有限元分析方法 有限元分析采用大型通用有限元软件ANSYS，分析类型为材料非线性，选择几何大变形。 根据成形后三通样条试验结果，弹性模量为1.93x105MPa，泊松比为0.3，材料应力应变曲线见图2。 图2 材料应力-应变曲线 分析中取四分之一三通模型，见图3，采用solid95三维实体单元，支管端面施加支管轴向约束，两个对称面施加对称约束。 图3 三通分析模型 采用分步载荷方法，在三通内表明施加内压，主管端面施加等效拉应力，等效拉应力与内压之间关系式： 式中：PL为等效拉应力，MPa； P为内压，MPa； D1为主管外径，mm； t1为主管壁厚，mm。 2.2.2 分析方法验证 为验证有限元模拟的准确性，对规格为DN1200X1000三通的水压爆破试验模型的关键部位的应力变化以及爆破压力进行了模拟，并与实际爆破试验测量值进行了对比。 图4为三通肩部外侧应力模拟计算结果与实测结果对比曲线，模拟计算结果与应力测试结果基本吻合。 图4 三通肩部外侧应力对比 图5为三通腹部外侧应力模拟计算结果与实测结果对比曲线，模拟计算结果与应力测试结果基本吻合。 图5 三通腹部外侧应力对比 图6 DN1200X1000三通爆破压力模拟 图7 DN1200X1000三通爆破试验 模拟计算得到三通的爆破压力为34.1MPa，试验得到的实际爆破为34.4MPa，偏差为-0.87%。 3 C值对三通关键部位应力的影响 3.1 应力监测点 三通的受力部位主要分为肩部、腹部、主管和支管，应力监测点分布如图8。肩部内侧点取为内过渡圆弧中心点，肩部外侧点取为外过渡圆弧中心点；腹部内、外侧监测点分别取为主、支管相贯线腹部内、外侧中心点。 图8 三通应力监测点分布 3.2 计算结果 分析得到三通肩部内、外侧应力与C值的关系曲线见图9。从图中