郭 禮 閆東軍 代長(zhǎng)林 高建林 董安軻 王 毅 吳振元

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041

0 前言

45°焊接斜三通被廣泛應(yīng)用于石油化工生產(chǎn)的放空系統(tǒng)中,起著連接各裝置放空管線(xiàn)與全廠(chǎng)放空總管的作用。斜三通由于幾何形狀不連續(xù),容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致材料抗疲勞能力的削弱。嚴(yán)格控制斜三通處的應(yīng)力水平,對(duì)保護(hù)管系安全具有重要意義。因此在進(jìn)行管道應(yīng)力分析中的位移應(yīng)力校核時(shí)引入了應(yīng)力增大系數(shù)。

45°焊接斜三通作為一種特殊的三通型式,其應(yīng)力增大系數(shù)在ASME B31.3Process Piping[1](以下簡(jiǎn)稱(chēng)ASME B31.3)中并未直接給出計(jì)算公式。在缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)的情況下,工程中往往采用ASME B31.3附錄D中的未補(bǔ)強(qiáng)型焊制三通公式進(jìn)行近似計(jì)算。但ASME B31.3附錄D的這些公式基于Markl A R C[2-4]在20世紀(jì)50年代的一系列疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),其適用范圍為D/T≤100且 0.5

確定應(yīng)力增大系數(shù)的方法主要有疲勞實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值分析法[11-13]。ASME從2001年開(kāi)始重新針對(duì)各類(lèi)管件進(jìn)行了大量的疲勞實(shí)驗(yàn),并在2017年將更為完善的應(yīng)力增大系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式編寫(xiě)到ASME B31JStandard Test Method for Determining Stress Intensification Factors(i-factors) for Metallic Piping Components[14](以下簡(jiǎn)稱(chēng)ASME B31J)中,適用于所有的ASME B31系列規(guī)范。但ASME B31J中仍并未對(duì)斜三通進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn),并認(rèn)為可以使用數(shù)值分析法來(lái)確定斜三通的應(yīng)力增大系數(shù)。Mair D[15]利用ANSYS軟件研究了不同支管開(kāi)孔角度對(duì)斜三通應(yīng)力增大系數(shù)的影響。聶磊等人[16]利用ANSYS Workbench對(duì)異種鋼焊接斜三通進(jìn)行了有限元計(jì)算,結(jié)果表明利用ASME B31.3附錄D中未補(bǔ)強(qiáng)型焊制三通公式計(jì)算結(jié)果偏于不安全。梁銀林等人[17]利用FEATools對(duì)高溫高壓管系焊接斜三通應(yīng)力增大系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,總結(jié)出各因素對(duì)應(yīng)力增大系數(shù)的影響規(guī)律。但絕大部分研究均只考慮了支管平面內(nèi)和平面外應(yīng)力增大系數(shù)。因此本文旨在通過(guò)數(shù)值分析法對(duì)低壓放空系統(tǒng)中常用的45°焊接斜三通的六種應(yīng)力增大系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,并將結(jié)果與ASME B31.3和ASME B31J規(guī)范中90°未補(bǔ)強(qiáng)型焊制三通公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證規(guī)范中的未補(bǔ)強(qiáng)型焊制三通計(jì)算公式是否適用于45°焊接斜三通,使45°焊接斜三通應(yīng)力增大系數(shù)的計(jì)算更加準(zhǔn)確。

1 ASME B31中未補(bǔ)強(qiáng)型焊制三通應(yīng)力增大系數(shù)的計(jì)算

相比于ASME B31.3,ASME B31J考慮了開(kāi)孔率d/D對(duì)應(yīng)力增大系數(shù)的影響,增加了扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增大系數(shù)的計(jì)算公式,區(qū)分了三通主管與支管應(yīng)力增大系數(shù)的計(jì)算。ASME B31.3與ASME B31J中未補(bǔ)強(qiáng)型焊制三通經(jīng)驗(yàn)公式見(jiàn)表1。

表1 ASME B31.3與ASME B31J應(yīng)力增大系數(shù)計(jì)算公式列表Tab.1 ASME B31.3 and B31J stress intensification factor calculation formulae

2 有限元軟件與分析方法

常用于進(jìn)行管件有限元分析的軟件有ANSYS、NozzlePRO、ABAQUS。NozzlePRO作為一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)壓力管道與壓力容器有限元分析的軟件,因其考慮了7 000次的疲勞壽命,與ASME B31規(guī)范考慮一致,故本文選用NozzlePRO軟件進(jìn)行分析計(jì)算。

(1)

3 幾何參數(shù)

本文選取低壓放空系統(tǒng)中主管為DN800,壁厚為SCH STD,不同開(kāi)孔率下的45°焊接斜三通為分析對(duì)象。經(jīng)驗(yàn)證滿(mǎn)足ASME B31.3中規(guī)范要求,無(wú)需對(duì)三通進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。對(duì)三通長(zhǎng)度,為避免邊緣效應(yīng),按照WRC497的結(jié)論[18],根據(jù)開(kāi)孔率采用不同的主管與支管長(zhǎng)度。45°焊接斜三通主管和支管幾何參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 45°焊接斜三通幾何參數(shù)表Tab.2 Geometric parameters of 45°lateral tee

網(wǎng)格劃分選擇3D Shell Elements作為分析模型的單元類(lèi)型,由于軟件已經(jīng)自動(dòng)對(duì)三通開(kāi)孔處進(jìn)行加密,經(jīng)試算對(duì)比,無(wú)需再設(shè)置網(wǎng)格加密。網(wǎng)格劃分典型圖見(jiàn)圖1。

圖1 網(wǎng)格劃分典型圖Fig.1 Typical graph of grid division

4 邊界條件

計(jì)算應(yīng)力增大系數(shù)時(shí),施加荷載的大小對(duì)應(yīng)力增大系數(shù)沒(méi)有影響,但邊界條件的選擇對(duì)應(yīng)力增大系數(shù)的計(jì)算影響較大[19]。邊界條件按照ASME B31J附錄A中應(yīng)力增大系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法,將45°焊接斜三通主管一端固定,一端自由。當(dāng)求解支管應(yīng)力增大系數(shù)時(shí),在支管末端施加荷載;當(dāng)求解主管應(yīng)力增大系數(shù)時(shí),則在主管自由端施加荷載作為邊界條件。

5 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)表2的參數(shù),使用NozzlePRO分別計(jì)算出了45°焊接斜三通及90°未補(bǔ)強(qiáng)型焊制三通的iob、iib、itb、ior、iir、itr六種應(yīng)力增大系數(shù),同時(shí)采用ASME B31.3和ASME B31J規(guī)范公式計(jì)算出90°未補(bǔ)強(qiáng)型焊制三通的六種應(yīng)力增大系數(shù),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2～7。

圖2 不同開(kāi)孔率下支管在平面外應(yīng)力增大系數(shù)Fig.2 Out-of-plane SIF on branch pipe at different d/D

圖3 不同開(kāi)孔率下支管在平面內(nèi)應(yīng)力增大系數(shù)Fig.3 In-plane SIF on branch pipe at different d/D

5.1 平面內(nèi)與平面外應(yīng)力增大系數(shù)

由圖2可見(jiàn),對(duì)于支管在平面外應(yīng)力增大系數(shù),隨著開(kāi)孔率的增大,兩種三通的有限元計(jì)算結(jié)果逐漸增大,并在開(kāi)孔率為0.75處出現(xiàn)一個(gè)峰值,此現(xiàn)象與WRC329中實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合[20]。但有限元計(jì)算結(jié)果與ASME B31.3公式計(jì)算結(jié)果比較,從開(kāi)孔率大于0.4開(kāi)始ASME B31.3計(jì)算結(jié)果逐漸大于90°和45°三通有限元計(jì)算結(jié)果,說(shuō)明規(guī)范在此情況下已經(jīng)不再保守。由圖4、圖5可知，對(duì)于主管在平面內(nèi)和平面外應(yīng)力增大系數(shù),有限元計(jì)算結(jié)果與ASME B31.3公式計(jì)算結(jié)果相比差距較大,特別是主管在平面外應(yīng)力增大系數(shù),ASME B31.3規(guī)范值最大達(dá)到有限元計(jì)算結(jié)果的1 090%,正是由于ASME B31.3未能區(qū)分主管和支管的應(yīng)力增大系數(shù),可能會(huì)造成無(wú)必要的修改管線(xiàn)走向或三通的補(bǔ)強(qiáng),增加工程投資。由圖2～5有限元計(jì)算結(jié)果可知,在主管為DN800時(shí)不同開(kāi)孔率下45°焊接斜三通支管及主管的平面內(nèi)、平面外應(yīng)力增大系數(shù)均小于90°未補(bǔ)強(qiáng)型焊制三通的應(yīng)力增大系數(shù)。將兩種三通的有限元計(jì)算結(jié)果與ASME B31J規(guī)范計(jì)算結(jié)果的比較可知,三者趨勢(shì)基本相同,且基本都大于兩種三通的有限元計(jì)算結(jié)果,說(shuō)明ASME B31J中未補(bǔ)強(qiáng)型焊制三通支管及主管在平面內(nèi)和平面外的計(jì)算公式對(duì)90°未補(bǔ)強(qiáng)型焊制三通和45°焊接斜三通都有適用性。

圖4 不同開(kāi)孔率下主管在平面外應(yīng)力增大系數(shù)Fig.4 Out-of-plane SIF on run pipe at different d/D

圖5 不同開(kāi)孔率下主管在平面內(nèi)應(yīng)力增大系數(shù)Fig.5 In-plane SIF on run pipe at different d/D

5.2 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增大系數(shù)

由圖6～7可知,45°焊接斜三通在不同開(kāi)孔率下支管和主管扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增大系數(shù)的有限元計(jì)算結(jié)果均大于90°未補(bǔ)強(qiáng)型焊制三通支管和主管扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增大系數(shù),特別是支管扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增大系數(shù)最大相差了810%。由于ASME B31.3將扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增大系數(shù)考慮為1,ASME B31.3規(guī)范計(jì)算結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果隨著開(kāi)孔率的增大差距迅速增大,由此可見(jiàn)ASME B31.3規(guī)范對(duì)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增大系數(shù)的考慮是不保守的。而ASME B31J計(jì)算結(jié)果雖然相對(duì)于90°未補(bǔ)強(qiáng)型焊制三通的有限元計(jì)算結(jié)果是保守的,但與45°焊接斜三通支管扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增大系數(shù)仍有較大差距,除非三通處的扭矩小到可以忽略,否則ASME B31J扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的計(jì)算公式對(duì)45°焊接斜三通也不具有適用性,應(yīng)通過(guò)有限元計(jì)算求解。

圖6 不同開(kāi)孔率下支管扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增大系數(shù)Fig.6 The torsional SIF on branch pipe at different d/D

圖7 不同開(kāi)孔率下主管扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增大系數(shù)Fig.7 The torsional SIF on branch pipe at different d/D

6 結(jié)論

1)45°焊接斜三通支管及主管在平面內(nèi)和平面外的應(yīng)力增大系數(shù)均小于90°未補(bǔ)強(qiáng)型焊制三通,ASME B31J中未補(bǔ)強(qiáng)型焊制三通支管及主管在平面內(nèi)和平面外的應(yīng)力增大系數(shù)計(jì)算公式對(duì)45°焊接斜三通仍具有適用性。

2)在進(jìn)行放空系統(tǒng)管道應(yīng)力分析時(shí),若45°焊接斜三通處扭矩不能被忽略,則應(yīng)利用有限元軟件求解出45°焊接斜三通處主管及支管的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增大系數(shù),并將計(jì)算結(jié)果帶入應(yīng)力分析軟件中,以保證管系應(yīng)力分析結(jié)果的正確性。