焊制三通的應(yīng)力分析

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(dǎo)致整個管路系統(tǒng)的癱瘓，因此，在工程設(shè)計中，應(yīng)對焊制三通的強度計算引起重視。由于三通的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)使應(yīng)力分布較復(fù)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(yīng)力分布規(guī)律，在工程設(shè)計中具有實用價值。

1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

三通結(jié)構(gòu)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(shè)計溫度為200℃，許用應(yīng)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(jié)構(gòu)簡圖

表1 三通的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，且不考慮焊縫加強的影響。由于三通結(jié)構(gòu)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(cè)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(yīng)根據(jù)應(yīng)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(jié)果與分析

應(yīng)力計算結(jié)果，如圖2所示。圖2中（a）、（b）分別為?273×11mm、?273×9mm等徑三通的應(yīng)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(yīng)力分布云圖。

圖2 應(yīng)力分布云圖

由圖2的應(yīng)力分布圖可知，在三通主、支管相貫連接區(qū)域有嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且肩部的應(yīng)力比腹部的應(yīng)力大，最大應(yīng)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(jié)構(gòu)，改善其受力狀態(tài)。對比等徑三通和異徑三通的應(yīng)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(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，為得到更詳細的應(yīng)力分布特性，可將主應(yīng)力分解后求得等效應(yīng)力。選取應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力分布曲線。

圖4 應(yīng)力分布曲線

由圖4中（a）可知，三通上各點應(yīng)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(yīng)力分布基本和直管處應(yīng)力相同，內(nèi)壁應(yīng)力約52MPa，外壁應(yīng)力約32MPa；三通的內(nèi)外壁應(yīng)力在相貫處發(fā)生波動，均產(chǎn)生較大的應(yīng)力梯度，且在路徑7出現(xiàn)峰值應(yīng)力，內(nèi)壁應(yīng)力約245MPa，外壁應(yīng)力約148 MPa。說明最大應(yīng)力點發(fā)生在三通肩部的內(nèi)壁側(cè)，且肩部的應(yīng)力水平大約為直管處應(yīng)力的5倍。

由圖4中（a）可知，膜應(yīng)力在路徑5和9之間突然增大，因此處的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，應(yīng)力分布不均，引起很大的局部薄膜應(yīng)力。內(nèi)壁彎曲應(yīng)力在路徑3之后逐漸升高，在路徑7達到峰值，然后應(yīng)力開始降低，到路徑10之后，應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力的峰值就越高。

4 結(jié) 語

（1）有限元的分析結(jié)果表明：在焊制三通相貫線位置附近的應(yīng)力集中嚴重，其應(yīng)力值比直管段位置處的應(yīng)力值高出約5倍。三通肩部的應(yīng)力比腹部的應(yīng)力大，且應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(yīng)力計算的結(jié)果進行線性化處理，分解為薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和峰值應(yīng)力。計算的結(jié)果表明：3種應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力值越高。