大直徑等徑三通的設(shè)計(jì)方法分析

蔣賓偉，賀同強(qiáng)

（中海油石化工程有限公司，濟(jì)南 250000）

0 引言

大直徑三通廣泛應(yīng)用于大型設(shè)備進(jìn)出口處的分流處，主要有焊接、液壓成型和熱成型三通3種加工形式。焊制三通的主要特點(diǎn)是焊接接頭少、制作簡(jiǎn)單，加工過(guò)程中不會(huì)改變?cè)牧系牧W(xué)性能并且成本低于熱成型或液壓成型的鋼制對(duì)焊管件，多應(yīng)用于中低壓設(shè)備中，特別是對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)三通件。液壓和熱成型的三通管件可以規(guī)避高應(yīng)力區(qū)的焊縫，并且在一定程度上避免了結(jié)構(gòu)的突變，其受力情況優(yōu)于焊制三通，可以應(yīng)用于較高的工作壓力。

本文結(jié)合TDI項(xiàng)目中某反應(yīng)器出口處三通結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)大直徑等徑三通的幾種設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行比較，并通過(guò)數(shù)值分析進(jìn)行了驗(yàn)證。該三通的設(shè)計(jì)計(jì)算條件如表1所示。

表1 計(jì)算條件

1 常規(guī)設(shè)計(jì)

1.1 基于焊制三通的設(shè)計(jì)計(jì)算

HG/T 20582-2011《鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定》[1]和GB/T 9222-2008《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》[2]中規(guī)定了相同的焊制三通計(jì)算方法，但2021年4月1日實(shí)施的HG/T 20580-2020[3]版本中取消了關(guān)于焊制三通計(jì)算的部分，而GB/T 9222-2008的計(jì)算部分被替代為GB/T 16507.4-2013《水管鍋爐第4部分：受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》[4]，但新標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于焊制三通的計(jì)算未進(jìn)行變更。

在焊制三通計(jì)算方法索引標(biāo)準(zhǔn)中，HG/T 20582-2011嚴(yán)格規(guī)定了所列公式適用的范圍:主管外徑Do≤600 mm，支管內(nèi)徑與主管內(nèi)徑之比di/Di≥0.5，主管外、內(nèi)徑之比Do/Di在1.05～1.50范圍內(nèi)。

設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)首先設(shè)定主管和支管的名義厚度均為12.5 mm，考慮鋼管壁厚負(fù)偏差1.4 mm，主管和支管的有效厚度為11.1 mm。根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算出強(qiáng)度消弱系數(shù)φ=0.52。其主管和支管計(jì)算厚度及該結(jié)構(gòu)允許最大壓力分別如下。

式中：pc為計(jì)算壓力，MPa；Do為主管外徑，mm；do為支管外徑，mm；δy為主管有效厚度，mm；C為主管厚度附加量，mm；C′為支管厚度附加量，mm；[σ]t為管子許用應(yīng)力，MPa；φ為強(qiáng)度消弱系數(shù)。

由以上計(jì)算結(jié)果可知，在此種理論下，主管和支管名義厚度均為12.5 mm（方案A）時(shí)該結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且該結(jié)構(gòu)允許最大壓力遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)壓力。

1.2 基于開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的壓力面積法設(shè)計(jì)計(jì)算

焊制三通還可以作為筒體上法向接管開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的極限結(jié)構(gòu)（開(kāi)孔率為100%），目前常用的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法有等面積法[5-6]、分析法[5]和壓力面積法[3]。GB/T 150推薦優(yōu)先選用前兩種，但3種方法只有壓力面積法可以計(jì)算開(kāi)孔率為100%結(jié)構(gòu)。

壓力面積法借鑒AD標(biāo)準(zhǔn)，其本質(zhì)上仍與等面積法相同，對(duì)于開(kāi)孔邊緣應(yīng)力只考慮滿(mǎn)足一次總體及局部薄膜應(yīng)力的靜力要求[7]。更新后的HG/T 20582-2020相較于2011年版本對(duì)于公式的適用條件進(jìn)行了更詳細(xì)的說(shuō)明，適用范圍更加明確，但其對(duì)有效補(bǔ)強(qiáng)范圍的計(jì)算等未做調(diào)整。

按照壓力面積法利用SW6軟件輔助進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下：1）對(duì)第1.1節(jié)中方案A的結(jié)果（主管和支管有效厚度均為11.1 mm）進(jìn)行校核，校核結(jié)果為：需要的壓力面積為209 745 N，實(shí)際的補(bǔ)強(qiáng)面積為195 299 N，不合格（-7%）。2）當(dāng)主管和支管名義厚度均為13.5 mm時(shí)，有效厚度為12.1 mm（方案B）：需要的壓力面積為213 339 N，實(shí)際的補(bǔ)強(qiáng)面積為222 915 N，合格（+4%）。

對(duì)比本節(jié)和第1.1節(jié)計(jì)算結(jié)果可知：開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的壓力面積法計(jì)算結(jié)果比焊制三通的算法更安全。

1.3 基于驗(yàn)證性設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)

GB/T 12459-2017《鋼制對(duì)焊管件類(lèi)型與參數(shù)》[8]是基于驗(yàn)證性為基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，未提供設(shè)計(jì)計(jì)算解析方法，當(dāng)需要特殊設(shè)計(jì)時(shí)多采用數(shù)值分析的方法。在工程實(shí)踐中，設(shè)計(jì)者也經(jīng)常以一種常規(guī)的計(jì)算方法確定主管和支管壁厚，再按照GB/T 12459對(duì)管件進(jìn)行制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收。GB/T 12459-2017在附錄B中規(guī)定了肩部圓弧過(guò)渡區(qū)的一系列尺寸要求，主要有：1）肩部圓弧過(guò)渡區(qū)45°處最小壁厚不得小于1.5倍的主管壁厚；2）規(guī)定了肩部圓弧過(guò)度的圓弧大小范圍。

對(duì)于本文考察的結(jié)構(gòu)，其圓弧半徑r的范圍應(yīng)為25～60 mm。方案C和方案D是在方案A和方案B的主管和支管計(jì)算壁厚的基礎(chǔ)上，參照鋼制對(duì)焊管件最小尺寸要求進(jìn)行的設(shè)計(jì)，其詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 方案C結(jié)構(gòu)詳圖

圖2 方案D結(jié)構(gòu)詳圖

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬過(guò)程及結(jié)果

利用有限元軟件ANSYS Workbench進(jìn)行數(shù)值模擬。介于三通結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，并且本次分析不考慮管道外載荷作用，進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)只需建立1/4模型。建模時(shí)尺寸取主管和支管的有效厚度，焊接管考慮焊縫尺寸及接管內(nèi)側(cè)倒圓角，在兩管外側(cè)相貫線(xiàn)處倒圓角半徑為10 mm，內(nèi)側(cè)相貫線(xiàn)處倒圓角半徑為5 mm。網(wǎng)格類(lèi)型以適應(yīng)于機(jī)械計(jì)算的帶中間節(jié)點(diǎn)的20節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格（solid186）為主，對(duì)于相貫線(xiàn)部位進(jìn)行局部加密，典型網(wǎng)格類(lèi)型如圖3所示。載荷和約束方面，計(jì)算時(shí)在支管端部施加全約束，對(duì)稱(chēng)面上約束其法向位移，主管端部施加平衡載荷，內(nèi)壁面上施加壓力載荷。數(shù)值模擬結(jié)果中典型第三強(qiáng)度應(yīng)力云圖如圖4所示?？梢钥闯?，最大應(yīng)力點(diǎn)在肩部靠近內(nèi)壁側(cè)相貫線(xiàn)的頂點(diǎn)處，這也反映了大開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí)接管內(nèi)倒圓角的必要性。

圖3 典型網(wǎng)格情況

圖4 典型第三強(qiáng)度應(yīng)力云圖

2.2 判定依據(jù)及結(jié)論

按照常規(guī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 150-2011等進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)收的設(shè)備，采用的是第一強(qiáng)度理論（最大拉應(yīng)力理論）作為失效判定依據(jù)，即以控制最大主應(yīng)力max(σ1、σ2、σ3)作為判據(jù)。當(dāng)按照J(rèn)B 4732-1995（2005確認(rèn)版）進(jìn)行分析設(shè)計(jì)的設(shè)備，采用第三強(qiáng)度理論（最大切應(yīng)力理論）作為失效判定依據(jù)，以控制最大主應(yīng)力差max（S12、S23、S31）作為判據(jù)。其中，主應(yīng)力差Sij為：

式中：S12、S23、S31為主應(yīng)力差；σ1、σ2、σ3為主應(yīng)力。

根據(jù)焊制三通結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖可知，局部高應(yīng)力點(diǎn)在兩管內(nèi)壁相貫線(xiàn)的頂部。通過(guò)考察圖5所示5個(gè)線(xiàn)性化路徑的應(yīng)力水平發(fā)現(xiàn)，路徑A-A為最危險(xiǎn)截面。三通肩部附近校核時(shí)一次局部薄膜應(yīng)力許用極限控制在1.5倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度之內(nèi)，一次應(yīng)力與二次應(yīng)力之和控制在2倍的設(shè)計(jì)應(yīng)力強(qiáng)度之內(nèi)。對(duì)于S31603不銹鋼，其許用應(yīng)力強(qiáng)度均為108.00 MPa。表2給出了5種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果及按照第一和第三強(qiáng)度理論進(jìn)行應(yīng)力評(píng)定的結(jié)果。

表2 應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

圖5 典型危險(xiǎn)截面

應(yīng)力評(píng)定結(jié)果表明：方案A中一次局部薄膜應(yīng)力和一次加二次應(yīng)力均超過(guò)了許用應(yīng)力強(qiáng)度；方案B中一次局部薄膜應(yīng)力超限，一次加二次應(yīng)力按照第一強(qiáng)度理論評(píng)定合格，按照第三強(qiáng)度理論評(píng)定為不合格；方案C中一次局部薄膜應(yīng)力校核不通過(guò)；方案D按照第一和第三強(qiáng)度理論校核應(yīng)力強(qiáng)度均通過(guò)。數(shù)值模擬結(jié)構(gòu)中，由于第三主應(yīng)力σ3為負(fù)值，使得最大主應(yīng)力值σ1小于第三強(qiáng)度理論值（σ1-σ3）。在焊接三通結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，當(dāng)繼續(xù)增加主管和支管厚度到有效后為13.6 mm（方案E）時(shí)，肩部的應(yīng)力水平方能降到許用應(yīng)力以下。而此時(shí)的結(jié)構(gòu)壁厚尺寸已經(jīng)超出方案A結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壁厚的20%以上，超出了方案B結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壁厚的10%以上。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比5種設(shè)計(jì)方案的數(shù)值模擬結(jié)果得出了如下結(jié)論：

1）基于開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的等面積法進(jìn)行的大直徑焊接等徑三通的設(shè)計(jì)，其主管和支管的設(shè)計(jì)厚度大于基于焊制三通理論的設(shè)計(jì)，但從兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果來(lái)看這兩個(gè)設(shè)計(jì)均不安全。

2）基于焊制三通的主管和支管設(shè)計(jì)尺寸直接用于液壓或熱成型鋼制對(duì)接管件的制造時(shí)，在肩部尺寸極限狀態(tài)下的數(shù)值模擬結(jié)果也不安全，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意肩部圓弧過(guò)渡的圓弧大小及該區(qū)域的最小壁厚。

3）大直徑三通管件的設(shè)計(jì)可以基于開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的等面積法對(duì)主管和支管進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)，同時(shí)按照液壓或熱成型鋼制對(duì)接管件的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收。

4）大直徑焊制等徑三通的設(shè)計(jì)推薦采用數(shù)值分析的方法進(jìn)行，并在制造和檢驗(yàn)時(shí)嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量、焊縫尺寸及內(nèi)壁倒圓角尺寸。