大管徑直埋熱力管道三通應力分析

姜方

山東同圓設計集團有限公司

大管徑直埋熱力管道三通應力分析

姜方

山東同圓設計集團有限公司

三通是熱力管道中常用的管件，由于在管道運行時，會在管道的連接處產(chǎn)生峰值應力，因此管道容易產(chǎn)生局部疲勞破壞。本文針對一個實際工程進行了應力分析與計算，并利用ANSYS軟件對三通進行了有限元分析，做到在滿足應力要求的基礎(chǔ)上合理布置附件。

大管徑 三通 應力分析

供熱管道系統(tǒng)經(jīng)常要分支，三通是常用的分支結(jié)構(gòu)，不僅承擔著管道改向和分流流量的作用，更是一種重要的柔性元件，具有消除管道因溫差和安裝尺寸偏差等原因造成的應力的作用。三通同直管段相比，屬于大開空結(jié)構(gòu)，有一部分幾何形狀不連續(xù)，在支管與干管的肩部交界處存在極大的應力集中，特別容易產(chǎn)生峰值應力，當直管段處于安全運行狀態(tài)時，三通有可能已經(jīng)達到曲服。三通由于承擔作用和處于部位特殊，不只承受內(nèi)壓作用，彎矩、扭矩、軸向力也作用于此，是管道荷載的集中部位。同時，管道中流體高速流動對三通管壁沖刷引起的管壁減薄，含腐蝕物質(zhì)的介質(zhì)對管壁腐蝕產(chǎn)生刻蝕，使得萌生疲勞裂紋、管道爆裂泄露和局部鼓脹危險發(fā)生的機會大大增加。由此看來，整個管道的完整和安全運行能力在很大程度上取決于三通質(zhì)量的好壞與承載能力的高低。

從干管上接出分支，是直埋管道設計和管道安全運行的難點之一。分支點處的處理方法不僅要考慮工程進度，還要考慮工程造價。一般而言主管道走向規(guī)劃后，應根據(jù)分支線的位置，本著降低分支點的受力的原則，反復調(diào)整主線補償裝置和固定墩的位置。對于無補償直埋設計，如果技術(shù)可靠、經(jīng)濟條件合理，也可以在分支引處設置少量的補償裝置，力求三通連接處主干線軸向位移量小于50mm[1]。當支管給三通連接處的軸向力較大時，要對分支三通進行加固或安裝補償措施。

1　三通管段驗算原則

直埋供熱管道焊制三通的強度驗算，應根據(jù)內(nèi)壓和主管軸向荷載聯(lián)合作用進行。三通各部分的一次應力和二次應力的當量應力變化范圍不應大于3[σ]；區(qū)域應力集中部位的一次應力、二次應力和峰值應力的當量應力的變化范圍不應大于3[σ]，當工程驗算三通不滿足《規(guī)程》（CJJ-T81-98）所規(guī)定的上述條件時應進行加固[2]。

由于三通的應力驗算，《規(guī)程》（CJJ-T81-98）并未給出相應的計算方法，附錄給出的三通加固方案也僅是針對小管徑的加固方案，對于大口徑熱力管道，應力分析和管道加固沒有相應的規(guī)范指導。

對于三通、變徑、折角和不滿足彈性臂長要求的彎頭，強度計算需要借助有限元分析。有限元分析需要建立研究對象的幾何模型，設定邊界條件，進行網(wǎng)格劃分并進行迭代計算。

2　工程簡介及應力分析

本工程為某實際工程管井示意圖，水流方向為從右到左，右側(cè)干管管徑為DN600mm，支管管徑DN350mm，長40m。設計條件為：熱網(wǎng)的供水溫度為140℃，回水溫度為70℃，安裝溫度10℃，工作循環(huán)最低溫度取為10℃，供水壓力為1.6MPa。管材材質(zhì)為Q235鋼，管頂埋深為1.5m，采用冷安裝方式。管道布置如圖1。

圖1　管道布置圖

本設計屬于三通處設置固定墩和補償器的情況：結(jié)合保護閥門和變徑管，充分利用檢查井，在檢查井中，設置固定墩和補償器。原施工圖中三通處設置在管井中，支管沒有做補償，施工圖中三通布置形式如圖2所示。

圖2　三通布置形式

3　三通優(yōu)化改進措施

當三通主管位移為零，或位移量小于50mm時，分支考慮補償，可采用Z形彎管引出，如圖3。彎頭距三通的距離L1應大于直管彈性臂長且小于20m，用以對主管軸向位移補償。補償彎管長度L2應按Z形補償彎管確定，取彈性長度Le的1.25～2倍，用來補償支管熱伸長。

圖3　Z形分支

當三通主管位移為零，或位移量小于50mm時。軸向補償器可安裝在分支管上，如圖4。分支點距補償器的最小距離不應小于1.5Le，最大距離不應大于20m。以補償主管軸向位移。分支管內(nèi)壓力對三通的影響要特別注意。支管內(nèi)壓力作用被分支點至補償器管段的土壤摩擦力相互抵消時，可以安裝普通軸向補償器，否則應當安裝無推力軸向補償器。

圖4　支管裝軸向補償器

本設計管井三通的主管無位移，分支可設Z形彎管進行自然補償，也可以設置補償裝置進行補償。雖然設Z形彎管自然補償布置方便，但是考慮到增加4對彎頭，彎頭需要增大曲率半徑，比在支管增設補償器造價更高；并且敷設范圍變大，加大了土方作業(yè)，還要考慮地形等影響，不利于施工。所以本設計在支管上增設補償裝置，見圖5。

圖5　管井三通支管裝補償器

4　ANSYS數(shù)值模擬

通過ANSYS軟件對該處的三通進行了仿真模擬[3，4]，證明該處如果采用非加厚三通，原設計必須采取措施減弱支管對主管的應力，本文在支管安裝補償器是實際工程中比較經(jīng)濟與實用的方法。

最大摩擦力[5]：

式中：F為每米管道沿軸線方向的摩擦力，N/m；μ為保溫管殼與土壤之間的摩擦系數(shù)；ρ為土壤密度，一般沙土為1800kg/m3；g為重力加速度，m/s2；H為管頂以上的埋土深度，當H＞1.5m時，取H=1.5m；Dw為預制保溫管外殼管徑，m；G為每米預制保溫管的管道與介質(zhì)總重量，kg/m。

該段管長 L=40m，利用公式可得 Fmax為20091.96N/m，支管截面積A為0.007451m2，根據(jù)應力的定義——單位面積上作用的力，可得到三通處受應力為：40×20091.96/0.007451=108MPa。

4.1幾何模型

雖然本文所建模型是兩個圓柱體相貫，但實際中的三通并非如此。完全復制實際結(jié)構(gòu)進行分析，難度會非常大。所以為了簡化問題提高效率，可進行理想假設：不考慮主、支管的加工誤差及不圓度；將結(jié)構(gòu)看作兩個理想的圓柱體正交相貫；不考慮相貫線處焊縫堆高、加強板等加強元件的增強作用；分析中僅考慮管徑比不小于0.5的情況。

在建模過程中，三通主支管的相貫處的圓角是建模所要處理的一個重點問題。因為，當此處不設置圓角時，會導致很大的應力集中，遠遠超過了材料的安定性分析強度條件。在查閱了相關(guān)文獻，并利用Pro-E軟件進行建模并導入ANSYS分析后，可以發(fā)現(xiàn)，當三通主管尺寸一定時，在合適的范圍內(nèi)，相貫處的圓角越大，三通應力的最大值就越小。本模擬中，選擇圓角尺寸的原則是：采用在建模與導入過程中不會影響模型完整性，所能達到的最大圓角。為了加快模擬的運行速率，建模時僅搭建對稱模型的一半。本文研究的三通模型幾何尺寸見表1。

表1　三通尺寸

4.2約束條件

首先導入Pro-E的IGS文件，然后在ANSYS中進行工作面切割及面分割體等工作，為劃分網(wǎng)格準備。為了求解的準確性，劃分網(wǎng)格時，將應力集中區(qū)（即過渡圓角處）的網(wǎng)格進行優(yōu)化，使其較其他位置的網(wǎng)格更密，以減少誤差。除了在三通內(nèi)表面施加內(nèi)壓，在三通的三個端面施加徑向約束0，由于干管一側(cè)為固定墩，一側(cè)為補償器，軸向約束為0。支管軸向施加108MPa的壓力。

4.3模擬結(jié)果

圖6為幾何模型圖，圖7為網(wǎng)格劃分。由圖8～10可以看出在支管推力作用下，干管的變形很大；三通的峰值應力出現(xiàn)在肩部，符合實際受力情況，最大峰值應力為1310MPa＞3[σ]，最小應力發(fā)生在管道下側(cè)面，為7.35MPa，二者相差極其懸殊；三通的最大位移發(fā)生在緊挨肩部的干管上，管道向外突出6.54mm。因此如果管道采用非加厚三通，管道必須做補償設計，所以管道三通支管必須做補償。

圖6　幾何模型圖

圖7　網(wǎng)格劃分

圖8　模型變形圖

圖9　模型位移圖

圖10　模型應力圖

5　結(jié)論

三通的保護只注意了在干管上設置固定墩限制伸長，加大了管井，增加了投資，優(yōu)化后在支管上裝補償器完全可以滿足要求，并用ANSYS模擬工程設計方案，得出非加厚三通會出現(xiàn)應力過大。對于規(guī)程提出的干管軸向伸長小于50mm時，三通可以不做處理，是否在大管徑時還適用，是否可以增大伸長量還能滿足使用，用ANASY軟件進行模擬分析驗證。

在本文中應用了ANSYS軟件對三通的應力進行了數(shù)值計算分析，清楚看到應力分布，特別是最大應力點的位置及數(shù)值。表明ANSYS軟件有助于管道不連續(xù)點的應力分析。

[1]王飛,張建偉.直埋供熱管道工程設計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006

[2]城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程(CJJ-T81-98)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998

[3]翁劍成.基于ANSYS軟件的三通管疲勞壽命分析[J].化工設備與管道,2011,48(6):46-46

[4]張朝暉.ANSYS8.0結(jié)構(gòu)分析及實例解析[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005

[5]李娜.供熱直埋敷設管道受力計算與分析[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2007

Stress Analysis of Tee Pipe Fittings in Big Diameter Directly Buried Heating Pipeline

JIANG Fang
Shandong Tong Yuan Design Group Co.,Ltd.

Tee joint is commonly used in heat pipe.When the pipeline is working,it is easily produce peak stress at the joint,so it brings local fatigue damage.This paper deal with a practical engineering stress analysis and calculation,and carried out a finite element analysis with ANSYS software for a Tee joint,to arrange Tee joint reasonably for the requirement of stress.

big diameter,Tee,stress analysis

1003-0344（2015）06-068-4

2014-9-28

姜方（1988～），男，碩士，助工；濟南市高新區(qū)舜華路2000號舜泰廣場11號樓（250101）；E-mail:jiangfang232010@126.com