焊制三通的應力分析

方小里，劉彬超，吳久江

（哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046）

0 概 述

三通聯接件是壓力容器和壓力管道系統中常用的受壓管件，如果三通聯接件失效破壞，容易導致整個管路系統的癱瘓，因此，在工程設計中，應對焊制三通的強度計算引起重視。由于三通的結構特殊，主管與接管相貫通，這相當于在圓柱筒體上開大孔，這種焊接結構使應力分布較復雜。在石油化工行業中，普遍采用了大直徑的焊制三通，所以，研究焊制三通的應力分布規律，在工程設計中具有實用價值。

1 結構參數

三通結構由1個主管和1個支管組成，如圖1所示。鋼管材料為20號鋼（GB9948），材料的設計溫度為200℃，許用應力為 ［σ］＝131 MPa，泊松比ν＝0.3其他材料參數，如表1所示。表1中序號1～2是2種不同壓力下的等徑三通，序號3～4是2種不同壓力下的非等徑三通。

圖1 三通結構簡圖

表1 三通的結構參數表

2 模型邊界條件

為了便于分析，將三通簡化為兩個理想圓柱體正交相貫的結構，且不考慮焊縫加強的影響。由于三通結構和載荷的對稱性，取模型的1／4進行分析，單元類型選用實體單位solid92。

主管左端面限制X、Y、Z三向位移，右端面限制Y、Z向位移，只允許端面的軸向位移，支管上斷面限制X、Z向位移，只允許軸向位移，在對稱面上施加對稱邊界約束。為了消除端部約束對計算部位的影響，支管及單側主管的長度取2倍管徑。

在主管及支管的內表面施加內壓（按表1），橫截面上施加由于內壓引起的等效截面拉力。等效截面拉力的計算公式如下：（具體數值見表1）

式（1）中：P —等效截面拉力，MPa；

Pc—計算壓力，MPa；

Do—管子外徑，mm；

Di—管子內直徑，不計材料負偏差，mm。

對三通的有限元模型進行網格劃分時，應根據應力梯度大小，確定網格的疏密程度。適當地增加主、支管相貫區的單元格密度，在距離相貫線較遠的主、支管端部，劃分的網格相對稀疏。

3 結果與分析

應力計算結果，如圖2所示。圖2中（a）、（b）分別為?273×11mm、?273×9mm等徑三通的應力分布云圖，圖2中（c）、（d）分別為主管 ?273×11 mm與支管?219×9mm、主管?273×9mm與支管?219×8mm異徑三通的應力分布云圖。

圖2 應力分布云圖

由圖2的應力分布圖可知，在三通主、支管相貫連接區域有嚴重的應力集中現象，且肩部的應力比腹部的應力大，最大應力點發生在肩部的內壁，此處為危險部位，容易出現裂縫，發生局部屈服等破壞形式，宜采用較合理的焊縫結構，改善其受力狀態。對比等徑三通和異徑三通的應力分布云圖可知，異徑三通的受力狀況比較惡劣。

由于三通內外表面各點均處于復雜的應力狀態，為得到更詳細的應力分布特性，可將主應力分解后求得等效應力。選取應力最大處的長軸截面，確定適當的評定線，采用線性分析法對三通的應力分布進行研究。評定路線的劃分，如圖3所示。評定路線的位置分布在支管和主管各部，選取13個路徑進行分析。

圖3 評定路線位置

等效應力的分布，如圖4所示。圖4中（a）、（b）分別為?273×11mm、?273×9m等徑三通沿路徑的應力分布曲線，圖4中（c）、（d）分別為主管?273×11mm與支管?219×9mm、主管?273×9mm與支管?219×8mm異徑三通沿路徑的應力分布曲線。

圖4 應力分布曲線

由圖4中（a）可知，三通上各點應力隨著所處管壁位置的不同而不同。在遠離主、支管相貫處，應力分布基本和直管處應力相同，內壁應力約52MPa，外壁應力約32MPa；三通的內外壁應力在相貫處發生波動，均產生較大的應力梯度，且在路徑7出現峰值應力，內壁應力約245MPa，外壁應力約148 MPa。說明最大應力點發生在三通肩部的內壁側，且肩部的應力水平大約為直管處應力的5倍。

由圖4中（a）可知，膜應力在路徑5和9之間突然增大，因此處的結構發生改變，應力分布不均，引起很大的局部薄膜應力。內壁彎曲應力在路徑3之后逐漸升高，在路徑7達到峰值，然后應力開始降低，到路徑10之后，應力值基本趨于平穩，因為在管內壓力的作用下，過渡區的倒角處發生變形，向外擴張。外壁彎曲應力在路徑5、7、9處產生負值，這是因為在內壓力的作用下，內壁擴張，外壁壓縮。圖4中其它圖形的應力分布趨勢與（a）相同，說明三通的危險區發生在主、支管的過渡區。

對比圖4中（a）、（b）與圖4中（c）、（d）的應力分布曲線可知，當主管直徑相同時，異徑三通的受力狀況比等徑三通的受力狀況更為惡劣。當主管的各項參數相同時，壓力及管壁厚度越大，最大應力的峰值就越高。

4 結 語

（1）有限元的分析結果表明：在焊制三通相貫線位置附近的應力集中嚴重，其應力值比直管段位置處的應力值高出約5倍。三通肩部的應力比腹部的應力大，且應力最大點發生在三通肩部的內壁。因此，在焊制三通的制造過程中，宜在肩部和相貫線處采用合理的焊縫結構，改善受力狀況，提高焊制三通的承壓能力。

（2）利用ANSYS有限元軟件，將焊制三通應力計算的結果進行線性化處理，分解為薄膜應力、彎曲應力和峰值應力。計算的結果表明：3種應力值在相貫線位置均有較大的波動，且在某些部位出現了應力最大值。在管內壓力的作用下，因管外壁的彎曲使管內壁擴張，管外壁因而產生了壓縮現象，也使過渡區的管外壁彎曲應力產生了負值。

（3）異徑三通的受力情況比等徑三通的受力情況更為惡劣。當主管參數相同時，管壁的厚度越大，焊制三通的最大應力值越高。