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        焊制三通的應力分析

        2014-12-11 00:33:44方小里劉彬超吳久江
        電站輔機 2014年1期
        關鍵詞:外壁三通支管

        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(lián)接件是壓力容器和壓力管道系統(tǒng)中常用的受壓管件,如果三通聯(lián)接件失效破壞,容易導致整個管路系統(tǒng)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(yè)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(guī)律,在工程設計中具有實用價值。

        1 結構參數(shù)

        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(shù),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(shù)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(nèi)表面施加內(nèi)壓(按表1),橫截面上施加由于內(nèi)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(shù)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(nèi)直徑,不計材料負偏差,mm。

        對三通的有限元模型進行網(wǎng)格劃分時,應根據(jù)應力梯度大小,確定網(wǎng)格的疏密程度。適當?shù)卦黾又?、支管相貫區(qū)的單元格密度,在距離相貫線較遠的主、支管端部,劃分的網(wǎng)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(qū)域有嚴重的應力集中現(xiàn)象,且肩部的應力比腹部的應力大,最大應力點發(fā)生在肩部的內(nèi)壁,此處為危險部位,容易出現(xiàn)裂縫,發(fā)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(tài)。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(nèi)外表面各點均處于復雜的應力狀態(tài),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?shù)脑u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(nèi)壁應力約52MPa,外壁應力約32MPa;三通的內(nèi)外壁應力在相貫處發(fā)生波動,均產(chǎn)生較大的應力梯度,且在路徑7出現(xiàn)峰值應力,內(nèi)壁應力約245MPa,外壁應力約148 MPa。說明最大應力點發(fā)生在三通肩部的內(nèi)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(fā)生改變,應力分布不均,引起很大的局部薄膜應力。內(nèi)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(wěn),因為在管內(nèi)壓力的作用下,過渡區(qū)的倒角處發(fā)生變形,向外擴張。外壁彎曲應力在路徑5、7、9處產(chǎn)生負值,這是因為在內(nèi)壓力的作用下,內(nèi)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(qū)發(fā)生在主、支管的過渡區(qū)。

        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(shù)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(fā)生在三通肩部的內(nèi)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(xiàn)了應力最大值。在管內(nèi)壓力的作用下,因管外壁的彎曲使管內(nèi)壁擴張,管外壁因而產(chǎn)生了壓縮現(xiàn)象,也使過渡區(qū)的管外壁彎曲應力產(chǎn)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(shù)相同時,管壁的厚度越大,焊制三通的最大應力值越高。

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