管系與管道開孔補強結構的耦合應力分析

秦重陽，楊暉，劉升志

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

管系與管道開孔補強結構的耦合應力分析

秦重陽，楊暉，劉升志

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

文章采用ROHR2管道應力分析軟件，對某管系和管系中管道的開孔補強結構進行了耦合應力分析，并根據分析結果對補強部位進行了合適的調整，最終使開孔補強結構處應力滿足相應的規范要求。

開孔，補強，應力，有限元

0 引言

在大口徑管道中，由于標準管件較少，經常會直接開孔焊接支管，由于開孔面積較大，通常需要增加補強圈來進行補強。開孔補強結構在管系中不僅受到壓力溫度影響，還受各種工況下管系作用在此結構上的力和力矩，如果將此結構單獨進行有限元分析，則需先通過管系應力分析，提取各工況下作用在此結構上的載荷，然后再附加到有限元分析中進行分析，非常繁瑣且耗費時間。

ROHR2管道應力分析軟件可以將管系局部有限元與管道應力進行耦合計算分析，大大簡化了建模的復雜性，并且能夠快速準確地獲得各工況下的分析結果。本文采用ROHR2軟件對某管系進行分析，并根據分析結果對開孔補強部位進行調整，使得開孔補強結構處應力滿足相應的規范要求。

1 管系計算模型及參數

1.1 管系及開孔補強結構計算模型

管系計算模型如圖1所示。

圖1 管系計算模型

管系兩端分別與相應設備連接；為吸收管道熱膨脹位移，降低管道對設備接口載荷，在管系上設置有一復式橫向膨脹節；管系上開孔接管位置與另一系統管道連接；管系中間設置有一個彈簧吊架。管道材料為A358 316，管道規格為Φ 1 422 mm×14 mm，開孔接管規格為Φ610 mm×12 mm，開孔區域采用了補強圈加強，補強圈材料與主管材料相同，補強圈厚度初步確定為20 mm，補強圈大小為Φ1 000 mm。

開孔接管補強區域建立了局部有限元模型。管道開孔處由于結構的不連續，會產生邊緣應力。根據圣維南原理，在離開孔連接處距離為L=2.5×為管道的平均半徑，t為管道壁厚）的地方，管道開孔連接處的邊緣應力就可以衰減到工程上可予以忽略不計的程度，因此支管長度取250 mm，主管長度取1 600 mm建立有限元模型，滿足圣維南原理要求，如圖2所示。

圖2 開孔補強區域有限元模型

1.2 管系計算參數

管系中介質為蒸汽，運行壓力為1.1 MPa，運行溫度為188℃。另一系統管道對開孔接管處的力和力矩如表1所示。

表1 外部系統管道對接管處的力和力矩

2 管系應力計算結果

2.1 應力分類及判定依據

管道在重力、壓力、熱膨脹、地震等作用下會產生應力。根據產生應力的荷載不同，將其劃分為一次應力和二次應力兩大類。由于壓力、重力和其他外力荷載的作用所產生的應力屬于一次應力，它是平衡外力荷載所需的應力，隨外力荷載的增加而增大；由于熱脹、冷縮、端點位移等位移荷載的作用而產生應力屬于二次應力，它不直接與外力平衡，而是為滿足位移約束條件或管道自身變形的連續要求所必須的應力[1]。

采用ASME B31.1《動力管道》[2]規范對管系應力進行校核。ASME B31.1規定的管道應力校核條件如下。

持續荷載作用下的一次應力應滿足：

位移荷載引起的二次應力應滿足：

式中：

P—設計壓力，MPa；

D0—管道外徑，mm；

tn—管道壁厚，mm；

i—應力增強系數，0.75i在任何情況下都不應小于1；

MA—重量和其他持續性荷載在橫截面上產生的合成力矩，N·mm；

Z—截面系數；

Sh—在最高溫度時材料的基本許用應力，MPa；

Mc—計算二次荷載范圍在橫截面上產生的合成力矩范圍，N·m；

Sc—在最低溫度時材料的基本許用應力，MPa。

2.2 管道應力分析結果

圖3和圖4分別給出了管系在持續載荷下的一次應力以及二次應力的校核結果。可以看出，管系一次應力和二次應力都校核合格，滿足ASME B31.1規范要求。

圖3 管系一次應力校核結果

圖4 管系二次應力校核結果

3 開孔補強有限元分析結果

采用ROHR2軟件自帶的FESU模塊對開孔補強區域進行有限元分析，該模塊與管道應力分析模塊耦合進行計算，接口處參數可以直接傳遞，非常方便。計算結果根據ASME BPVCⅧ-2中有關規定進行校核。

3.1 應力分類及判定依據

ASME BPVCⅧ-2將壓力容器各處的應力劃分為一次應力、二次應力和峰值應力三大類。規范中對這些應力的分類說明和判定依據如圖5所示。其中峰值應力僅當在需要進行疲勞分析時才予以限制，在本文中不考慮峰值應力的影響。

本文采用的是彈性應力分析法，即采用彈性有限元分析方法，將計算所得的總應力進行分解和分類，然后將相應的應力限制在相應的條件下。

在ASME BPVCⅧ-2規范中，針對彈性應力分析法，為防止結構元件塑性垮塌，規定當量應力的限制條件為：總體一次薄膜當量應力不超過其許用應力；局部一次薄膜當量應力不超過1.5倍許用應力；一次薄膜加彎曲當量應力不超過1.5倍許用應力。為防止棘輪現象，其當量應力限制條件為：一次加二次當量應力不超過3倍許用應力。

3.2 原補強結構計算結果分析

圖6給出了開孔補強結構處的總體一次薄膜當量應力分析校核結果。圖7給出了局部一次薄膜當量應力校核結果 （區域很小）。圖8為一次薄膜加彎曲當量應力的校核結果。圖9為一次加二次當量應力的校核結果。

圖5 應力分類及判據[3]

圖6 總體一次薄膜當量應力校核結果

圖7 局部一次薄膜當量應力校核結果

圖8 一次薄膜加彎曲當量應力校核結果

圖9 一次加二次當量應力校核結果

從分析結果可以看出，該開孔補強處的總體一次薄膜當量應力以及一次薄膜加彎曲當量應力均已超出了規范中限制要求，因此需要對此補強結構進行調整加強。

3.3 調整后補強結構計算結果分析

針對此開孔補強結構，可以通過調整補強圈厚度和主管壁厚來加強。而根據GB 150《壓力容器》[4]中要求，補強圈厚度不應大于開孔處主管壁厚的1.5倍，此處主管壁厚14 mm，補強圈厚度20 mm，已接近1.5倍，不宜再采用增加補強圈厚度的方法來進行加強。因此采用增加主管壁厚的方法來加強。將此開孔補強區域主管壁厚增加至20 mm，并進行計算校核。圖10和圖11分別給出了調整后的總體一次薄膜當量應力以及一次薄膜加彎曲當量應力的計算校核結果。

從分析校核結果可以看出，調整主管壁厚為20 mm后，原結構中超過規范要求的總體一次薄膜當量應力以及一次薄膜加彎曲當量應力均已降至規范要求的范圍內。因此，在后續設計中，將開孔補強區域的主管壁厚增加為20 mm。

圖10 調整后總體一次薄膜當量應力校核結果

圖11 調整后一次薄膜加彎曲當量應力校核結果

4 結論

對于大口徑管道，開孔接管連接是經常會用到的連接方式。而開孔處由于面積減小強度降低并且所連接的支管又受到外部力和力矩的作用，因此對開孔區域進行合理適當的補強是非常必要的。

本文采用ROHR2管道應力分析軟件對某管系以及其中管道的開孔補強區域進行耦合分析，得到以下結論：

（1）該管系的管道應力滿足ASME B31.1規范要求；

（2）當管道壁厚14 mm，補強圈厚度20 mm時，開孔補強結構的應力超過ASME BPVCⅧ-2規范中彈性應力分析的要求，不能滿足該開孔處補強要求；

（3）此開孔補強結構宜采用調整主管壁厚的方法進行加強。將開孔補強區域主管壁厚增加至20 mm后，開孔補強結構應力滿足規范要求，該開孔補強結構設計合理。

此外，采用ROHR2軟件進行管系應力和管道局部有限元的耦合分析，可以真實地反映局部結構在整體管系中的受力結果，大大節省分析設計時間，使設計人員能夠更加合理高效地進行設計。

[1]唐永進.壓力管道應力分析[M].北京：中國石化出版社, 2009.

[2]US-ASME.ASME B31.1-2010,Power Piping[S].2010.

[3]ASME BPVC sectionⅧ,Division 2-2010,Alternative Rules for Cons truction of Pressure Vessels[S].2010.

[4]中國國家標準化管理委員會.GB 150-2011壓力容器[S].北京:中國標準出版社,2011.

Coupled Stress Analysis for Piping System and Opening Reinforcement of Pipe

Qin Chongyang,Yang Hui,Liu Shengzhi

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Coupled stress analysis for a piping system and opening reinforcement of pipe carries out by using ROHR2 software.According to the calculation results,proper reinforcement is used so that the opening and the stress of the opening reinforcement can meet standard requirements.

opening,reinforcement,stress,FEA

TV732

A

1674-9987（2017）01-013-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.003

秦重陽 （1986-），男，碩士，工程師，2010年畢業于西安交通大學動力機械及工程熱物理專業，現從事核電管道設計工作。