压力管道开孔补强分析38271.docx

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1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.压力管道开孔补强分析胡长庆陈 凌 (中冶赛迪公司动力设计部动力研究室 重庆 400013 )摘要针针对冶金金行业大大管道开开孔的补补强，本本文通过过Anssys111.00对冶金金行业中中常见的的人字接接管和斜斜接管进进行了补补强分析析，详细细比较了了不同补补强方式式对接管管结构应应力集中中的影响响，为冶冶金行业业接管补补强的选选择提供供了理论论依据，具具有较为为重要的的意义。关键词人字接接管 斜斜接管 等面积积补强 控制变变形补强强1 引言言管道结构广广泛

2、应用用于冶金金、动力力、石油油、化工工及机械械等行业业，是许许多工厂厂的重要要组成部部分。为为了满足足使用需需要，管管道上通通常需要要开孔接接管或连连接三通通，这样样就造成成管道的的不连续续，局部部存在应应力集中中。对于冶金行行业来说说，存在在大量管管道与管管道之间间的斜接接以及连连通结构构，这些些结构形形式相对对比较复复杂，在研究究中除了了考虑载载荷工况况、直径径大小外外，还需需要考虑虑接管交交角对结结构强度度的影响响，目前前对其的的应力分分析主要要靠经验验进行1,22,3；另外外，冶金金行业里里的接管管大都直直径较大大，管道道开孔相相贯处的的强度削削弱极为为明显。因因此，研研究管道道开孔的

3、的补强，是是具有较较为重要要的实际际意义的的。本文文以两个个工程实实例4,5为对象象，对冶冶金行业业中常见见的人字字接管和和斜接管管的开孔补补强进行行了详细细的分析析，为冶冶金行业业接管补补强的选选择提供供了理论论依据。2 研究究背景开孔补强设设计是压压力容器器设计6中的一一个重要要部分，开开孔除削削弱器壁壁的强度度外，在在壳体和和接管的的连接处处，由于于结构的的连续性性被破坏坏，会产产生很高高的局部部应力集集中，导导致该区区域薄弱弱而易发发生失效效，给压压力容器器的安全全运行带带来隐患患甚至出出现事故故。在冶冶金工程程的管道道设计中中，管道道往往开开孔就是是大开孔孔，或者者接管主主管等直直径

4、，或或者接管管比主管管略小，在在这些情情况下，接接管和主主管的相相贯处强强度削弱弱极为明明显7。图1为宝钢钢工程中中煤气管管道两种种典型的的接管方方式示意意，(a)为为人字接接管，(b)为为斜接管管。图中中(a)、(b)所示接接管均为为大直径径接管，(a)中利用人字接管将DN2200的大管分成两段DN1200的小管，(b)中利用DN1600的30斜接管连接DN1800和DN1600的两段管道。在实际的工工程应用用中，图图1(aa)所示示人字接接管在接接管相交交的“裤裤裆”处处出现极极高的应应力，图图1(bb) 所所示斜接接管在斜斜接管与与小管相相交的锐锐角端出出现断裂裂事故，事事故发生生位置如

5、如图1所所示。为分析上述述两种事事故的原原因，本本文以aansyys111.0为为工具，对对图1所所示的两两种接管管进行了了应力分分析，在在此基础础上，全全面详细细的比较较了工程程上各种种补强方方式的效效果，为为冶金行行业接管管补强的的选择提提供了理理论依据据，具有有较为重重要的工工程实际际意义。事故处(a) (b)图1 煤煤气管道道接管两两例3 事故故分析针对图1所所示的两两类接管管(a)、(bb)，利利用annsyss11.0进行行了应力力分析，分分析结果果表明：1) 对图11(a)的接管管形式，最最大应力力出现在在接管相相交的“裤裤裆”处处，变形形的最大大处不和和最大应应力处重重合，出出

6、现在沿沿相贯线线回转约990的地方方，即图图(a)中的“肚肚脐”附附近，其发生生的机制制为管道道在内压压作用下下的“趋圆”变形特特征。22) 对对图1(b)的的接管形形式，在在接管处处的锐角角部位，出出现了很很高的应应力集中中，最大大应力处处和事故故位置一一致；变变形的最最大处出出现在接接管相贯贯处，部部位为最最大应力力处沿相相贯线回回转约990的的钝角部部位附近近，该部部位在“内压趋趋圆”时显然然是最易易变形。上述分析表表明，对对于人字字接管和和斜接管管而言，由由于几何何结构不不连续，管管道壁厚厚不足，在在承受应应力的情情况下产产生了较较大的应应力集中中，导致致断裂，计算结果和实际的事故情况

7、是吻合的。上述两种接接管形式式局部应应力很高高，故须做适适当的开开孔补强强以降低低接管区区域的应应力集中中。本文文先从传传统的等等面积法法入手，在在补强效果果欠佳时时再着眼眼于控制制变形来来控制应应力，效效果明显显。4 等面面积补强强法管道的开孔孔补强传传统上多多采用等等面积法法，其方方法是：对开孔孔而被削削弱的部部位补强强加厚，补焊的面积应等于开孔去掉的钢板面积。图1(a)人字接接管的等面积积补强方式式见图22，其中中补强范范围(图2(aa)红色色区域、图图2(bb)红色色区域、图图2(cc)绿色色区域、图图2(dd)蓝色色区域)从(a)至至(d)依次增增大，计算结果果见表11。(a) (b

8、b)(c)(d)图2 人人字接管管等面积积补强法法示意图图表1 人人字接管管等面积积补强效效果一次二次次应力强强度（MMPa）应力强度降降低补强模型补强前2260方式120609图2(a)方式2165027图2(b)方式3141038图2(c)方式492059图2(d)由表1可见见，随着着补强区区域的扩扩大，局局部应力力强度逐逐渐下降降，但应应力强度度最大值值仍然很很高。图1(b)斜接管管的等面面积补强强方式见见图3，图3所所示为斜斜接管开开孔处的的补强范范围。图图3的计计算结果果见表22。由表2可见见，尽管管等面积积补强可可以使局局部应力力强度迅迅速下降降，但最最大应力力仍然很很高。表2 斜

9、斜接管等等面积补补强效果果一次二次次应力强强度（MMPa）应力强度降降低补强模型补强前1177补强后64345图3图3 斜斜接管等等面积补补强法示示意图综上所述，对对图1所所示的两两类接管管(a)、(bb)采用用等面积积补强方方法补强强，其效效果均不不理想。5 控制制变形补补强法控制变形法法是通过过对最大大变形处处进行限限制来达达到减小小局部应应力的目目的，本本次研究究中分别别采取杆杆单元和和面单元元对最大大变形处处进行控控制，分分别模拟拟实际情情况中用用隔板、角角钢和加加强筋进进行控制制变形补补强的情情况。5.1 人字接接管的控控制变形形补强中间隔板人字接管的的控制变变形补强强主要通通过在最

10、最大变形形位置处处加中间间隔板的的方式来来实现，具体如如图4所所示。补补强的计计算结果果见表33，从表表3可以以看出，人人字接管管采用加加中间隔隔板来进进行控制制变形补补强后，应应力强度度大幅降降低，补补强效果果明显。图4 人人字接管管隔板补补强示意意图表3 人人字接管管隔板补强强效果一次二次次应力强强度（MMPa）应力强度降降低补强模型补强前2260补强后34685图45.2 斜接管管的控制制变形补补强斜接管的控控制变形形补强主要要通过在在最大变变形位置置处加隔隔板、角角钢以及及加强筋筋来实现现，具体体如图55、图66及图77所示。 (aa) 隔隔板不开开孔 (bb) 隔隔板开单单孔 (cc

11、) 隔隔板开双双孔 (d) 隔板板大面积积开孔图5 斜斜接管隔隔板补强强示意图6 斜斜接管角角钢补强强示意 图77 斜斜接管加加强筋补补强示意意图5是采用用隔板对对斜接管管进行补补强的示示意图。隔板补补强用面面单元进进行模拟拟，考虑煤煤气管道道中的气气体流量量，隔板板补强后后必须留留够足够够的空间间，为找找出最优优的方法法，采用用了如下下(a)(dd)四种种隔板补补强方式式进行模模拟，补强的的结果如如表4所示示。由表44可知，当当隔板开开孔面积积不大于于50时，应应力强度度大幅降降低，补补强效果果明显。图6是采用用角钢对对斜接管管进行补补强的示示意图。角角钢补强强用面单单元进行行模拟，沿沿斜接

12、管管的相贯贯线加角角钢，角角钢用面面单元模模拟，角角钢的厚厚度由单单元厚度度控制，具具体如图图6所示示。角钢钢补强法法的效果果主要受受角钢厚厚度的影影响，分分别取角角钢厚度度为1、1.5、22、2.5倍壁壁厚进行行计算，结结果如表表5所示示。由表表5可见见，随着着角钢厚厚度的增增大，补补强效果果的增加加是明显显的，但但应力强强度降低低的幅度度相比隔隔板补强强显得不不足。表4斜接管管隔板补补强效果果开孔面积百百分比一次二次次应力强强度（MMPa）应力强度降降低补强模型补强前1177方式10(不开孔孔)18684图5(a)方式225%18884图5(b)方式350%18584图5(c)方式475%

13、42764图5(d)表5斜接管管角钢补补强效果果角钢厚度一次二次次应力强强度（MMPa）应力强度降降低补强前1177方式11倍壁厚44262方式21.5倍壁壁厚34771方式32倍壁厚28776方式42.5倍壁壁厚25678图7是采用用加强筋筋对斜接接管进行行补强的的示意图图。加强筋筋补强用用杆单元元进行模模拟，在在最大变变形处的的相贯线线上找出出对应的的节点，再再连接成成杆单元元，见图6。补强的的结果如如表6所所示。由由表6可可知，斜斜接管采采用加强强筋进行行控制变变形补强强时，应应力强度度降低不不多，补补强效果果不明显显。表6 斜斜接管加加强筋补补强效果果一次二次次应力强强度（MMPa）应

14、力强度降降低补强模型补强前1177补强后91722图76 结论论本文以两个个工程实实例为对对象，对对冶金行行业中常常见的人人字接管管和斜接接管的开开孔补强强进行了了详细的的分析，得得到如下下结论：1) 当等等面积法法的补强强效果较较差时，可可以根据据“内压趋趋圆”现象，找找到变形形最大处处，试从从控制变变形的角角度来控控制应力力。2) 对于于人字接接管，采采用中间间隔板进进行内补补强，具具有较好好的补强强效果。3) 对于于斜接管管，采用用隔板内内补强和和角钢外外补强均均具有较较好的补补强效果果，相比比较而言言，隔板板内补强强效果更更好，但但对管道道内气路路可能产产生不利利影响，而而角钢外外补强

15、可可在管道道外部进进行，施施工较为为方便，且且不影响响管道内内工艺过过程。4) 对于于斜接管管，采用用加强筋筋内补强强效果较较差。参考文献1 马马爱梅, 鹿晓晓阳. 管道开开孔接管管和三通通设计及及应力分分析JJ.机机械设计计与制造造, 220077(7):500511.2 路路民旭, 陈迎迎锋, 董绍华华等.管道维维修补强强技术及及其发展展趋势J. 油气气储运, 20005(24):13301132.3 林林杨杰, 桑芝芝富, 张月明明. 内压压作用下下斜接管管结构塑塑性极限限载荷的的试验研研究JJ. 化工设设备设计计, 119999, 336(66):114118. 4 陈陈凌. 宝钢CC

16、oreex工程程斜接管管分析R. 重庆: 中冶冶赛迪工工程技术术股份有有限公司司, 220077, 112.5 胡胡长庆. 宝钢钢Correx工工程低压压煤气管管道接管管处补强强分析R. 重庆: 中冶冶赛迪工工程技术术股份有有限公司司, 220077, 112.6 JJB47732-19995, 钢制压压力容器器分析析设计标标准译义义S. 北北京: 中国标标准出版版社, 19996.7胡长长庆. 冶金管管道接管管设计中中应注意意的问题题R. 重重庆: 中冶赛赛迪工程程技术股股份有限限公司, 20007, 122.胡长庆 重庆 中冶冶赛迪股股份有限限公司动动力设计计部 邮编：40000133 手机：13003633964416