（机械工程专业论文）直埋高温水管道三通应力分析.pdf

摘要 摘要 三通是工业管道系统中的一种重要构件。由于三通结构为不规则的几何异形 体，主管和支管相贯，相当于在圆柱简体开孔，这使得其应力分布比较复杂。鉴 于三通自身结构复杂、结构参量甚多及极限载荷研究在压力管道安全评估中的重 要地位，本文应用有限元分析方法，数值研究直埋敷设热力管道主管管径为d n 6 0 0 和d n t 0 0 ，支管管径为d n 3 0 0 和i ) n 3 5 0 时异径三通在各种工况下位移及内力的分 布规律。研究结果给出了管网中三通部位应力薄弱的原因，得到了三通接管处的 最大应力点、以及减小的方法及措施。另外，通过分析增加壁厚和单筋加强两种 加固的方法，提出了一些对工程设计和施工有重要参考价值的结论。主要研究内 容和结论如下： ( 1 ) 三通的应力集中主要发生在连接处，即三通的肩部和腹部，另外在三 通的主管的中心线和腹部之间的应力也比较大。 ( 2 ) 通过增加三通壁厚和三通连接处单筋加强，可以使应力集中减小，且 随壁厚的增大和连接处增加钢筋加强，三通最大应力减小，在允许的许用应力下 三通可以承受更大的力和力矩。 ( 3 ) 对三通的影响因素进行化简，通过有限元模型计算，得出了三通在力 和力矩联合作用时的最大应力；并对无补强和有补强三通施加相同力和力矩，得 到三通最大应力的变化规律。 ( 4 ) 通过d n 6 0 0 和d n 7 0 0 有补强三通模型的受力计算，发现采用加强筋 的方法来补强三通略强于加壁厚，三通能够承受的许用应力增加不多。通过三通 受力云纹图显示，三通的薄弱点在于肩部、腹部，虽然同样是补强三通，但是补 强作用的三通位置却不尽相同，增加壁厚是整体补强，而加强筋缺是有针对性地 补强，各有所长，通过模型可知加强筋补强略胜于加壁厚。 ( 5 ) 施加在三通支管段的力和力矩与应力有着明显的比例关系，应力随着 施加力和力矩的增加线形增加。 关键词三通：应力：补强 北京r t 业大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t e e p i p ei sa l li m p o r t a n tk i n do fc o m p o n e n t sw i t h i nt h es y s t e mo fi n d u s t r yp i p i n g t h e s t r e s sd i s t r i b u t i o ni sm o r ec o m p l i c a t e db e c a u s et h et e ep i p ei sm a d eu po fa b n o r m a l s t r u c t u r e st h a tt h em a i np i p ea n dt h es e c o n d a r yp i p ea r ep e r f o r a t e db ye a c ho t h e r , n a m e l yah o l ei sm a d eo nt h em a i nt u b e o w i n gt ot h ec o m p l e xs t r u c t u r ea n dm o r e s t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft e ep i p ea n dt h ei m p o r t a n tr o l eo fu t m o s tl o a dr e s e a r c hi n e v a l u a t i n gt h es e c u r i t yo fp r e s s u r ep i p e s ，t h ed i s t r i b u t i o no r d e r l i n e s so fd i s p l a c e m e n t a n di n t e r n a lf o r c eo fl a y o u th e a tp i p e sb u r i e ds t r a i g h t l ya r en u m e r i c a l l ys t u d i e db y f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ei nt h ep a p e r t h em a i np i p ed i a m e t e r sa r es e l e c t e da sd n 6 0 0 a n dd n 7 0 0 ，a n dt h es e c o n d a r yp i p ed i a m e t e r sa r ed n 3 0 0a n dd n 3 5 0i ns i m u l a t i o n r e a s o n sf o rs t r e s sw e a k n e s so ft e ep a r t si np i p en e t sa r eg i v e n t h ep o s i t i o no f m a x i m u ms t r e s sa tt e ep i p ea n dt h ew a y so nh o wt od e c r e a s ei ta r ea l s of o u n d m e t h o d o fi n c r e a s i n gw a l lt h i c k n e s sa n ds t r e n g t h e n i n gs i n g l ep i e c ef o rr e i n f o r c i n gw i l lb e b e n e f i tt op r o j e e td e s i g na n dc o n s t r u c t i o n ，n 圮m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n d c o n c l u s i o n sa r ei nt h ef o l l o w i n gp a r t s ： ( 1 ) t h es t r e s sc o n v e r g e n c eo ft e ep i p em o s t l yo c c u r sa tj o i n t s ，n a m e l yt h es h o u l d e r a n da b d o m e np a r t s i na d d i t i o n , t h es t r e s sa tt h ea r e ab e t w e e nm a i np i p e sc e n t r a ll i n e a n da b d o m e ni sa l s or e l a t i v e l yg r e a t ( 2 ) t h a ti n c r e a s i n gw a l lt h i c k n e s sa n ds t r e n g t h e n i n gs i n g l ep i e c ea tj o i n t so ft e ep i p e c o u l dl e a dt ot h ed e c r e a s i n go fa l l a ys t r e s sc o n c e n t r a t i o n w i t h i nt h el i m i t so f a l l o w a b l es t r e s s ，t e ep i p ec o u l da f f o r dm o r ef o r c ea n dm o m e n t ( 3 ) t h em a x i m u n ls t r e s su n d e rt h ee o m b i n a t i o no p e r a t i o no ff o r c ea n dm o m e n ti s n u m e r i c a l l yo b t a i n e db ys i m p l i f y i n gt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so ft e ep i p e s t h ep o t e n t i a l c h a n g eo f t h eg r e a t e s ts t r e s si sa l s og i v e nb ye x e r t i n gt h es a m ef o r c ea n dm o m e n to n t e ep i p e s 、 ，i 廿la n dn o n - r e i n f o r c e m e n t ( 4 ) ni sf o u n dt h a tt h em e t h o dw i t hs t r e n g t h e n e ds t e e lb a r si sb e t t e rt h a nt h a tw i t hw a l l t h i c k n e s si n c r e a s eb e c a u s et h ea l l o w a b l es t r e s sd o e si n c r e a s ej u s tab i tb yc o m p u t i n g t 1 1 es t r e s so ft h er e i n f o r c e dt e ep i p ed n 6 0 0a n dd n 7 0 0 i ti n d i c a t e sf r o mt h es t r e s s c o n t o u r sm a pt h a tt h ew e a kp o s i t i o n sl o c a t ea ts h o u l d e ra n da b d o m e no ft h et e ep i p e a l t h o u g hb o t ha r et e ep i p e sw i t hr e i n f o r c e m e n t , t h er o l e so fr e i n f o r c e m e n ta r ev a r i e d i l ld i f f e r e n tm e t h o d s m e t h o do fi n c r e a s i n gw a l lt h i c k n e s si st or e i n f o r c ec o n s t r u c t i o n f r o mt h ew h o l ep a r t s ，w h i l et h a to fs t r e n g t h e n i n gt h es t e e lb a r si sr e i n f o r c e c o n s t r u c t i o ni nac e r t a i np a r t s ( 5 ) t h e r ei so b v i o u s l yp r o p o r t i o n a lr e l a t i o n s h i po ff o r c ea n dm o m e n te x e r t e do nt h e s e c o n d a r yp i p eo ft e ep i p eo ns t r e s s n l es t r e s si n c r e a s e sl i n e a r l y 、i mt h ea u g m e n to f t h ee x e r t e df o r c ea n dm o m e n t k e yw o r d s ：t e ep i p e ；s t r e s s ；r e i n f o r c e m e n t n 主要符号表 d 、d d i 、d i r 、t 【盯】 【盯】s o b 矽 f e a e t p t l t 2 咖 主要符号表 主管、支管外径，r a i n 主管、支管内径，n l i n 三通主、支管壁厚度，n l i l l 钢材计算温度下许用应力，m p a 管材在计算温度下的屈服极限最小值， 管材在计算温度下的抗拉强度最小值， 材料泊松比 支管轴向推力( 作用于支管端部中心， 材料弹性模量，a 线膨胀系数，m m 强化模量 工作压力，a 安装温度， 运行温度， 加强筋直径，m i l l v n 口a m 口a 垂直于支管轴线的作用力) ，n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝丝吼衅 关于论文使用授权的说明 本人完全了解l l 京, i 业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丝丝导师签名：蛰耋逝日期：赳趾羔 第1 章绪论 1 1 选题背景 第1 章绪论 随着国家对环保认识的逐渐提高以及城镇居民对集中供热的需求，国家把热 电联产列为重大节能措施项目，积极鼓励热电联产、集中供热，以节约能源减少 大气污染。在城市热网和区域供热工程中，供热管道分为架空敷设、地沟敷设和 直埋敷设三种类型【l 】。 架空敷设占地面积大，在城市繁华的街道和居住区中布置有碍观瞻，影响环 境美观，不宜穿越马路因而在某些区域受到限制。传统的地沟敷设虽然维修方便， 但投资昂贵、施工难、管沟易积水而腐蚀管道，在地下管线较多的地方敷设新的 大型管沟就更加困难。目前，以上两种敷设方式有被淘汰的趋势。与此相比，直 埋管道系统却具有突出的优点，由于直埋敷设省去了地沟，从而使投资与土方工 作量都大大减少，并缩短了施工周期。直埋管道以其节约投资、占地小、施工周 期短、热损失小、使用寿命长和维修量小等优点，很快在城市集中供热管网上大 量使用。目前，直埋管道已经在城市供热、油气输送工程中得到了广泛的应用。 目前对1 3 0 以下的热水道，几乎全部实现直埋敷设，但由于管道直埋于土 壤中，受周围土壤的约束，使直埋管道的温度应力远远大于地沟或架空敷设中的 管道，故直埋管网设计应采用不同的设计方法。 高温直埋技术是岩土工程、材料工程、热能工程的交叉研究领域，技术尚未 发展完备。德国技术较先进、规范，但造价甚高；美国的成本较低，但冒气较严 重，维修量也大。高温直埋技术近年来在我国发展较快，目前规格、结构、形式 己与国际接近，但有关基础理论研究不够，工程试验缺乏，存在设计潜留问题， 造成了部分高温直埋管道“冒、漏、伤”严重，或“带病运行”，危及安全生产。 1 2 研究现状 1 2 1 直埋管道发展历史 7 0 年代末，北京煤气热力设计院就将安定性理论引入到对直埋管道温度应 力的分析上，允许管道产生少量有限的塑性变形，对于运行温度为8 5 1 3 0 的 直埋热网，直管段一般可不预热，也不补偿【2 l 。 但进入8 0 年代，我国在引进北欧预制保温管的同时，一些单位也开始采用 北欧的设计理论进行直埋管道设计。该理论对温度应力采用弹性分析，不允许产 生任何塑性变形，对于运行温度在8 5 1 3 0 的直埋热网，直管段只能设置补偿 北京工业大学工程硕士学位论文 装置( 补偿器或补偿弯管) 或进行预热也可设置一次性补偿器。1 9 9 3 年a b b 公 司的供热手册中介绍的直埋敷设热水管网冷安装方式，可不进行预应力和补偿， 而应用在运行温度1 3 0 , - - - 1 4 0 ( 2 的直埋热网上，其轴向应力己超出了弹性分析的 范畴。1 9 9 6 年最新的欧洲标准区域供热整体式预制保温管的设计、计算和安 装和1 9 9 7 年为解释该标准而出版的集中供热手册以及在欧洲区域供热管 道厂商协会颁布的区域供热手册【3 1 ，都采用应力分类法进行直埋敷设热水管 网强度计算和设计。在这种情况下，1 9 9 9 年6 月执行的我国行业标准城镇直 埋供热管道工程技术规程( c j j t 8 1 9 8 ) 明确规定：采用应力分类法进行直埋 热力管道的强度设计。 1 2 2 应力分类法 钢材属于塑性良好材料，从其拉伸实验可以看出：钢材从屈服到断裂的塑性 变形量比屈服极限对应的最大弹性变形量大1 帖1 5 倍以上，故产生塑性变形并不 意味钢材破坏。钢材的塑性变形可分为有限和无限两种。只有无限塑性变形，才 会导致钢材的塑性流动而产生破坏；而大小与最大弹性变形相当的有限塑性变形 是不会产生破坏的。实际上，人们在生产和生活中，还常常利用这种有限塑性变 形。从机械加工中的汽车车体，到日常用品，甚至本文讨论的钢管，无不都是通 过塑性变形而制造成的。 热力管道的应力计算，主要是计算热力管道在内压、持续外载作用下以及由 于热胀冷缩产生的位移受约束而产生的应力，并使其满足管道本身和与管道相连 接的设备能安全运行的要求。随着应力分析理论和实验技术的发展，目前供热管 道的应力验算采用应力分类法，对不同性质的应力分别给予不同的极限值，从而 更合理地考虑了管道的受载条件。 由于土壤的均匀支撑，使管道自重可忽略不计。而由于热网管道的公称壁厚 远远大于介质压力所需的设计壁厚，也使内压应力远远小于管材的屈服应力。因 此，在直埋管道中，自重和内压等力作用的影响相对较小。 文献【4 】中，进一步又提出采用应力分类法进行管道的强度设计，同时，还对 处于受压状态的管道提出了稳定性的要求。 直埋热水管道的应力验算均采用应力分类法。应力分类法的主要特点是将管 道上的应力分为一次应力、二次应力和峰值应力三类，并采用相应的应力验算条 件。 管道由内压和持续外载产生的应力属于一次应力，它是为了满足静力平衡条 件而产生的。当应力强度达到甚至超过屈服极限时，由于材料进入屈服或静力平 衡条件得不到满足，管道将产生过大变形甚至破坏。一次应力的特点是变形为非 自限性的，对应力验算应采用极限分析。 管道由于热胀、冷缩等变形受约束而产生的应力属于二次应力，它是为了满 2 第1 章绪论 足结构各部份之间的变形协调而引起的应力，当部分材料超过屈服极限时，由于 产生小量的塑性变形，变形协调得到满足，变形就不再继续发展。它具有自限的 特点。对二次应力采用安定性分析。 所谓安定性是指结构不发生塑性变形的连续循环，管道在有限量塑性变形之 后，在留有残余应力的状态下，仍能安定在弹性状态。安定性分析允许的最大弹 性应力变化范围是屈服极限的两倍。 峰值应力是指管道或附件( 如三通等) 上由于局部结构不连续或局部热应力 效应产生的应力增量。它的特点是不引起显著的变形，是一种导致疲劳裂纹或脆 性破坏的可能原因，必须根据管道整个使用期限所受的循环荷载进行疲劳分析。 但对低循环次数的供热管道，对在管道上出现峰值应力的三通、弯头等局部应力 集中处，可采用简化公式，计入应力加强系数进行应力计算。 在计算中，直埋供热管道的一次应力的当量应力不应大于钢材在计算温度下 的基本许用应力【o 】；二次应力及一次应力的当量应力变化范围不应大于钢材在 计算温度下基本许用应力 r 】的三倍；管道局部应力集中部位的一次应力、二次 应力和峰值应力的当量应力变化幅度不应大于钢材在计算温度下基本许用应力 j r 的三倍。 对弹性分析法： o j s 【g 】( 1 1 ) 对安定性分析法： a o j _ 3 o 翌 o 。x o 8( 1 _ 2 ) 0 1 i 管道最不利点的综合( 合成) 应力，m p a 。 0 j 管道最不利点在工作循环最高温度和工作循环最低温度两工况下的 应力变化幅度，m p a 。 【o 】管材在计算温度下的基本许用应力，m p a ，取 o 。1 5 和 o b 3 两者的 最小值，即3 7 5 3 = 12 5m p a 。 当量应力是指将结构内实际的多向应力按一定的强度理论，转换成一个单向 应力形式，可与单向试验结果进行比较，使转换前后对结构破坏的影响能达到等 效的应力量。本文一次应力的当量应力强度验算条件仍沿用城市热力网设计规 范( c j j 3 4 - - - - 2 0 0 2 ) 的规定。一次加三次应力的当量应力强度验算条件，为便于 设计使用，作了适当简化。其分析考虑如下城市热力网设计规范) ) ( c j j 3 4 - - - 2 0 0 2 ) 规定一次加二次应力的当量应力强度验算条件为q 4 a 】，同时又规定“无补偿直 埋敷设管道锚固段的轴向温度应力应考虑由于管道少量横向位移和管壁波纹效 应引起的实际应力降低现象，计算时应乘以o 8 的土壤约束度系数。”对于直埋 管道一次加二次应力的当量应力最大值出现在锚固段管道，应力验算主要对象是 锚固段，该段内的计算式按城市热力网设计规范( c j j 3 4 - - - 2 0 0 2 ) 应为： ( 1 珈8 v ) 【o 】t 川e ( t i ) 5 2 4 o 】( 1 3 ) 【o 广一管道内压引起的环向应力，m p a 。 将上述公式两侧均乘以1 2 5 后，得 北京i 业人掌t 样坝十掌位论文 1 2 5 0 】t 卅e ( t i ) s 3 【g 】 ( 1 4 ) 因此，在城镇直埋供热管道工程技术规程( c j j 厂r 8 1 _ 9 8 ) 中将强度条件 由2 4 0 】改为3 o 】，同时取消土壤约束度系数。应该指出直埋管道常用管材的 钢号为q 2 3 5 ， o 】的取值为 o d 3 。因此3 0 】= 【o b = 3 7 5 m p a ，与安定分析规定的 强度条件2 6 】。= 4 7 0 m p a 尚有约0 4 【o 】的余量，有足够的安全度。 为满足二次应力安定性要求的压力容器强度分析，一般采用弹性板壳理论解 的解析分析方法，较复杂。但该应力可依安定性要求以3 倍 o 】进行控制【5 】。 弯头、三通等管道局部应力集中部位的一次、二次应力和峰值应力采用简化 的疲劳分析进行验算。疲劳分析采用当量应力变化幅度验算，其强度条件为不大 于3 0 】。当量应力变化幅度在数值上是当量应力变化范围之半，因此对三通、 弯头等应力集中部位验算时，其强度条件比锚固段管道放宽了一倍。该应力水平 相应的设计疲劳次数为2 0 0 0 - - 3 0 0 0 次，若安全系数取l o ，则使用疲劳寿命约为 2 0 0 一3 0 0 次 1 2 3 三通的研究 三通是石油、化工和电站管道上的重要部件。按制造方法可以分为铸造三通、 锻造三通、挤压三通和焊接三通。铸造三通金属耗量大，浇铸质量难以保证，废 品率高，锻造三通机械加工量大，材料利用率低，挤压三通需要有吨位较大的挤 压设备，制造困难，成本高。相比之下，焊接三通具有制造设备简单，结构轻便、 成本低廉等优点，因此，被广泛采用。本文研究对象为焊接三通。 三通是供热管道系统中的常用部件，不仅是管道改向和流量分流的重要结 构，而且是一种重要的柔性元件，能够有效地消除管系中因温差和安装尺寸偏差 等原因造成的应力。与管道中直管段相比，三通属于大开孔结构，存在几何形状 不连续因素，在相贯线的拐角处会形成极大的应力集中，致使在正常的工作条件 下，该处也可能达到屈服。三通多处于管道改向、流量分流等支架处，成为管系 载荷的集中部位，因而其不仅承受内压，还往往受到弯矩、扭矩、轴向力的作用。 同时，高流速的介质对三通管壁冲刷引起的减薄及腐蚀介质对管壁腐蚀产生的凹 坑，增加了疲劳裂纹萌生、局部鼓胀、泄漏及爆破的机会。从某种意义上说，三 通质量的好坏与承载能力的高低将直接影响到整个管系的完整性及安全运行。 对于三通结构的设计，在a s m e 的锅炉和压力容器设计规范中一般采用分 析设计的观点，这种设计方法认为，结构的一点或局部进入塑性屈服并不导致破 坏，只有当结构整体进入屈服并成为机构，才最终达到失效状态。与常规设计相 比，极限分析更能反映结构状态的本质，并可进一步挖掘材料的潜力。通过极限 分析，一方面，设计者能够避免应力分析的困难，得到评定结构是否安全的更精 确结果。另一方面，当整体或局部薄膜应力不满足规范要求时，直接对结构进行 极限分析，可对结构是否安全做出最后评定。可见三通结构的极限载荷分析在工 4 第1 章绪论 程上具有非常重要的作用，因此如何高效准确地确定结构极限载荷，一直是机械 工程师致力解决的问题。目前，人们对直管和弯头的塑性极限载荷问题做了大量 工作，并取得了一系列的研究成果睁】，但对管件三通的塑性极限载荷研究较少， 且国内外对三通塑性极限载荷的研究大多建立在实验分析及理论推导解析解的 基础上，因而开展相应的三通塑性极限载荷计算及工程评估研究是迫切的需求。 等径三通在无补强的情况下，承受内压时，在三通两侧焊缝相交的尖点处应 力最大，在焊接时，为了改善尖点的应力集中状况，将此处改为弧形连接。理论 分析认为，两曲面交接的焊缝区在内压作用下，因几何形状突变而存在大的弯曲 应力，故此处应力也比较大。大量的爆破试验资料表明，无补强的三通均在两侧 焊缝相交的尖点附近起爆【l2 。 从各国的设计规范【1 3 1 4 1 8 】看，三通补强的方法分四种： 1 、削弱系数法 根据e a 特劳杨斯基的论述，开孔将削弱主管强度( 许用应力) ，可通过适应 增加主、支管厚度进行补强，使之与没有开孔的主管强度相同。在补强过程中， 单靠增大支管的壁厚来提高三通的削弱系数，达不到良好的效果。为此，在三通 补强计算中应规定支管与主管的外径与其内径的比值相等，从而得到焊制三通强。 度计算中的削弱系数。此种方法比较简单容易实行。 2 、压力面积法 压力面积法l ”】是以受压面积和承载截面面积的力平衡为基础的方法，即压力 在受压面积上形成的总力与有效补强范围中的壳体、接管、补强材料的面积所具 有的承载能力相平衡。在较大开孔补强中，允许压力试验时最高压力的局部区域 产生l 的塑性变形，这种个别区域的塑性变形不致出现塑性不安定，是可以接受 的。 3 、等面积补强法 等面积法是以受拉伸的开孔大平板作为计算模型的【1 6 17 】，等面积补强法的 出发点是维持容器整体屈服强度概念，基于此假设，应使补强的金属等于或大于 开孔所削弱的金属量，此方法简易可行。我国压力容器标准【l8 】开孔补强计算采用 此方法。 4 、有限元法 到目前为止，已有大量的开孔接管分析借助有限元法完成。柱壳、球壳的开 孔接管有限元分析已有专用软件，一般只需输入容器与接管的特征参数与载荷情 况、设定网格划分控制参数就能很方便地完成计算。一般容器在使用中，为多次 受载情况，因而必须考虑二次局部应力可能引起的失去安定的问题。根据安定性 理论，必须控制二次应力( 与一次应力之和) 小于2 倍材料屈服极限。 北京t 业大学丁程硕l 学位论文 1 2 4 三通研究的应用 压力面积法与等面积法的实质是一致的，都是从确保容器受载截面的一次平 均应力( 平均强度) 在两倍许用应力水平内的计算方法，均属经验补强方法。压 力面积法与等面积法的最大不同点在于对简体上的补强范围的考虑，等面积补强 法是基于受拉伸的开孔大平板孔边应力集中的衰减范围，取为接管内径d i ，有效 范围与筒体内径无关；而压力面积法则为圆柱壳的边界效应衰减区域，取为 4 ( d i + t c ) ( 丁一c ) ( t 为简体壁厚：c 为为简体厚度附加量) 。由此对于较大的开 孔，压力面积法的有效补强范围取的较小，要求附加的补强面积相对较多，且较 靠近开孔边缘，降低了局部应力集中水平，局部应力引起的安全性问题相对缓和， 故一般可用于开孔率较大的场合。 上一节所介绍的四种方法，第一种比较简单，但是应用时的作用不大；第二、 三种依据g b l5 旺1 9 9 8 钢制压力容器的要求只能按照以下原则执行：当其内 1 径d is 1 5 0 0 m m 时，开孔最大直径ds d i 且开孔直径d z 1 1 5 0 0 m m 时，开孔最大直径ds d i 且开孔直径d _ 1 0 0 0 m m ) 、开孔率d d i 小于 j 0 5 ；第四种方法是利用软件建立模型模拟计算。 习惯上把超过以上规定范围的容器开孔称为大开孔。这是压力容器研究中的 经典课题，已有许多探讨性研究结果，但目前尚未有完善的设计规范。 在我国g b 9 2 2 2 2 - - 8 8 水管锅炉受压元件强度计算标准和化工部标准 h g 2 0 5 8 2 2 1 9 9 8 钢制化工容器强度计算规定中，对于主管外径d o _ 0 5 ，主管外径与主管内径与1 3 = d d i 在1 0 5 s 险1 5 范围内的焊制三通，给出了整体补强( 壁厚加强) 的设计方法。在该方法中，主 管壁厚以中径公式为设计计算式，在算式中引入与开孔削弱有关的减弱系数。原 机械部、原电子工业部的有关部门以及清华大学的专家们从对三通焊缝附近应力 状态所进行的应力分析为基础1 19 1 ，针对各种尺寸三通做了大量实验研究( 爆破 试验等) 和有限元分析，证明了几何相似原理及应变叠加原理适用于焊制三通， 从而导出减弱系数计算方法。该方法已经多年实验验证和工程实践考验，是成熟 的三通设计计算方法。 1 9 8 9 年原化工部在制定钢制化工容器强度计算规定中引入了压力面积 法，允许使用开孔率不大于o 8 的大开孔场合，该标准还结合我国压力容器用材、 制造及检验状况，提出应满足或注意的5 个条件： a 为避免局部产生过大应力集中，接管与壳体应采用全焊透结构，接管与壳 体连接处内外壁应避免尖角过渡，而采用圆角过渡。 b 接管、壳体、补强件的材料其常温屈强比应满足 6 】； o 】b 5 4 0 m p a 的材料。这是由于开孔处局部应力较高， 不宜采用对裂纹敏感的高强度钢，而应尽可能采用韧性材料。 c 为确保焊接质量，接管、壳体和补强件之间的焊缝应进行无损探伤。 d 不宜用于介质对应力敏感的场合。 e 不宜用于可产生蠕变或有脉动载荷的场合。 此外，国外压力容器规范中的一些大开孔补强计算方法，也可为设计时参考 使用。瑞典压力容器设计规范中，给出了开孔率大于0 6 的壳体最小厚度计算式： t m i n ：旦 2 o z ( 1 5 ) 式中z 为有效系数，它反映开孔引起的强度削弱程度。规范中给出了q z 与 开孔率的关系曲线，其值介于o 6 8 至o 4 之间，a 为开孔的形状系数，对于圆 形开孔该值为1 2 5 。由此可见，对于最大开孔情形( 开孔率为1 ) ，在未得到接 管加强作用时，开孔附近( 补强有效范围内)的壳体壁厚必须增加2 倍以上， 方可满足补强要求。该标准还用于椭圆形开孔。 i 3 本文研究的目的及内容 1 3 i 本文研究的目的 三通是管道系统中的一种重要构件，在石化工业的大管径管道中，采用焊接 型式很普遍。由于三通结构为不规则的几何异形体，主管和支管相贯，相当于在 圆柱筒体开孔，这使得其应力分布比较复杂。通常，工程上采用应力加强系数或 削弱系到2 咐3 】等，对三通进行应力分析。但是这些系数与三通的柔性和具体结 构等因素有关，很难精确确定。因此，这类方法都存在较大的近似性。 鉴于三通自身结构复杂、结构参量甚多及极限载荷研究在压力管道安全评估 中的重要地位，本文决定以有限元分析方法为手段，利用相关软件，根据三通在 内压和弯矩以及外力的交互作用下的受力规律，亦即模仿了管道在实际运行中的 工况，并得出了一般性的规律，以利于工业实践应用。 1 - 3 2 本文研究的内容 本文研究的内容是：使用m s c p a t r a n 软件建立三通有限元模型，研究直埋 敷设热力管道主管管径为d n 6 0 0 和d n 7 0 0 ，支管管径为d n 3 0 0 和d n 3 5 0 时异 径三通在各种工况下位移及内力的分布规律，全面地揭示了管网中三通部位应力 薄弱的原因，分析三通接管处的最大应力点，以及减小的方法及措施。另外通过 分析几种加固的方法并提出了一系列对工程设计和施工有重要参考价值的结论。 针对本文研究目标，在此需要首先确定以下几个前提条件： 北京t 业人学t 程倾i j 学位论文 1 、三通的种类很多，根据工程实际，本文研究三通的对象以焊制三通为例。 2 、实际运行的直埋高温水管道中的三通部分一般是在固定点上设置( 主管 一侧固定) 。同时管道运行温度为1 3 0 ，考虑到工程实际应用，本文考虑的主 管一端为固定不动的，支管施加力和力矩。 3 、实际运行的三通受力以及力矩千变万化，主管和支管的长度以及方向略 有变化将导致受力以及力矩变化；三通在管系中位置的变化也将导致受力以及力 矩变化，而受力以及力矩变化将在三通上体现。本着把握事物本质的原则，本文 将利用m s c a t r a n 软件建立三通有限元模型，在直接在三通支管上施加力以及力 矩，模拟实际的工程状况。 第2 章三通有限元模犁的建立 第2 章三通有限元模型的建立 三通一般采用韧性较好的材料制成，工程实践表明其破坏形式多为塑性失效 2 4 l ，可见三通的极限承载能力是工程中重要的设计参数，具有极大的实用价值。 求取三通极限载荷的解析解，需要进行三维弹塑性分析并考虑多个几何尺寸的影 响，在现有条件下非常困难。现代计算机和有限元软件的出现，使得求解三通极 限载荷数值解原则上不再存在困难。 2 1 有限元原理简介 由文献【2 5 2 8 可知，对于许多工程问题，不可能获得解析的数学解。以前， 为了得到解析解，人们不得不做多到难以承受的假设和简化，以至于所得结果只 能适用于最简单的情况。现在，对于材料性质和边界条件较复杂的问题，工程师 可以依靠数值方法给出近似的、较令人满意的答案。有限元就是这样一种数值方 法。有限元法基本思想1 2 9 j 是将求解区域离散为一组有限个且按一定方式连接在一 起的单元的组合体。简单地说，有限元法是一种离散化的数值方法。离散后的单 元与单元间只通过节点相联系，所有力和位移都通过节点进行计算。对每个单元， 选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、子域分界面上以及子域与外界分 界面上都满足一定的条件。然后把所有单元的方程组合起来，就得到了整个结构 的方程。求解该方程，就可以得到结构的近似解。 有限元法分析的概念出现于2 0 世纪4 0 年代。1 9 4 3 年柯朗( c o u r a n t ) 在他 的应用数学论文中首先提出了一个于有限元法类似的近似方法，该方法采用定义 在三角形区域上的分段连续函数，研究了圣维南( s t v e n a n t ) 的扭转问题。现在 所用的有限元法是由美国波音公司工程师特纳( t u r n e r ) 、克拉夫( c l o u g h ) 、马 丁( m a r t i n ) 和托普( t o p p ) 于1 9 5 6 年提出的，在他们的论文中第一次给出了 用三角形单元计算平面应力问题的解答及在航空结构分析中的应用。阿吉里斯 ( a r g y r i s ) 的能量定理和矩阵方法的综合论文，也为推导平面应力的矩形板单元 的刚度矩阵提供了理论基础。上述工作为有限单元法的形成作出了首创的贡献。 离散化是有限元方法的基础。必须依据结构的实际情况，决定单元的类型、 数目、形状、大小以及排列方式。这样做的目的是：将结构分割成足够小的单元， 使得简单位移模型能足够近似地表示精确解。同时，又不能太小，否则计算量很 大。选取的函数通常是多项式，最简单的情况是位移的线性函数。这些函数应当 满足一定条件，该条件就是平衡方程，它通常是通过变分原理得到的。 理论上，确认有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。建立了其基本 的理论基础：基于变分原理的里兹法。而基于变分原理建立有限元方程和经典里 9 北京工业大学工程硕士学位论文 兹法的主要区别是前者假设的近似函数不是在全求解域，而是在单元上规定的， 而且事先不要求满足任何边界条件，因此，它可以用来处理很复杂的连续介质问 题。上世纪6 0 年代以后，人们在有限元法中主要应用伽辽金法，利用加权余量 的方式来确定单元特性和建立有限元求解方程。这使得在不存在变分泛函的情况 下也可以应用有限元法了，从而大大扩充了其使用范围。 实践上，有限元法已经广泛应用于很多学科。它最初只在连续体结构力学中 得到应用，但现在，有限元方法已经广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学 等多个领域。以固体力学为例，它已经由最初的弹性力学二维问题扩展到三维问 题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，由弹性材料扩展 到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等。可以预见，有限元的应用还将进一步扩 大，并将成为有力的数值分析工具。 2 2 有限元分析软件简介 m s c p a t r a n 是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统。 m s c p a t r a n 最早由美国宇航局( 峪a ) 倡导开发，是工业领域最著名的并行框 架式有限元前后处理及分析系统，其开放式、多功能的体系结构可将工程设计、 工程分析、结果评估、用户化设计和交互图形界面集于一身，构成一个完整的 c a e 集成环境p u 】。 使用m s c p a t r a n ，可以帮助产品开用户实现从设计到制造全过程的产品性 能仿真。m s c p a t r a n 拥有良好的用户界面，既容易使用又方便记忆。即使你以 前没有使用过m s c p a t r a n ，只要你拥有一定的c a e 软件使用经验，那么你很快 可以成为该软件的熟练使用者，这可以使使用者将更多的精力用于自己的工作本 身而不是软件。m s c p a t r a n 作为一个优秀的前后之处理器，具有高度的集成能 力和良好的适用性： 模型处理智能化：众多的公司为了节约宝贵的时间，减少重复建模，消除由 此带来的不必要的错误，m s c p a t r a n 应用直接几何访问技术( d g a ) ，能够使用 户直接从一些世界先导的c a d c a m 系统中获取几何模型，甚至参数和特征。 此外，m s c p a t r a n 还提供了完善的独立几何建模和编辑工具，以使用户更灵活 的完成模型准备。m s c p a t r a n 允许用户直接在几何模型上设定载荷、边界条件、 材料和单元特性，并将这些信息自动地转换成相关的有限元信息，以最大限度地 减少设计过程的时间消耗。所有的分析结果均可以可视化。 自动有限元建模：m s c p a t r a n 的新产品中不断增加了很多更灵活更方便的 智能化工具，同时提供了自动网格及工业界最先进的映射网格划分功能，使用户 快速完成他们想做的工作。同时也提供手动和其它有限元建模方法，以满足不同 的需求。 1 0 第2 章三通行限几梗型的建市 分析的集成：m s c p a t r a n 提供了众多的软件接口，将世界上大部分著名的 不同类型分析软件和技术集于一体，为用户提供一个公共的环境。这样可以使用 户不必担心不同软件之间的兼容问题，在其它软件中建立的模型，在m s c p a t r a n 中仍然可以正常使用，非常灵活。用户也能够根据多种类型的仿真结果对产品的 整体设计给出正确的判断，进行相应的改进，这就大大的提高了工作效率。 用户可自主开发新的功能：用户可将m s c p a t r a n 作为自己的前后置处理器， 并利用其强大的p c l ( p a t r a nc o m m a n dl a n g u a g e ) 语言和编程函数库把自行开 发的应用程序和功能及针对特殊要求开发的内容直接嵌入m s c p a t r a n 的框架系 统，或单独使用或与其它系统联合使用。这样，m s c p a t r a n 又成为用户二次开 发的一个良好平台，可以为用户提供更强大和更专业的功能。 分析结果的可视化处理：m s c p a u a n 丰富的结果后处理功能可使用户直观 的显示所有的分析结果，从而找出问题之所在，快速修改，为产品的开发赢得时 间，提高市场的竞争力。m s c p a t r a n 能够提供图、表、文本、动态模拟等多种 结果形式，形象逼真、准确可靠。 m s c n a s t r a n 是由m s c s o f t w a r e 公司推出的一个大型结构有限元分析软件， 其第一个版本是于1 9 6 9 年推出的n a s t r a nl e v e l1 2 ，经过几十年的不断发展 和完善，目前最新版本是v 2 0 0 7 。 m s c n a s t r a n 具有很高的软件可靠性、品质优秀，得到有限元界的肯定，众 多大公司和工业行业都用m s c n a s t r a n 的计算结果作为标准代替其它质量规 范。m s c n a s t r a n 具有开放式的结构，全模块化的组织结构使其不但拥有很强的 分析功能而又保证很好的灵活性，使用者可针对根据自己的工程问题和系统需求 通过模块选择、组合获取最佳的应用系统。此外，m s c n a s t r a n 还为用户提供 了强大的开发工具d m a p 语言。 针对实际工程应用，m s c n a s t r a n 中有近7 0 余种单元独特的单元库：所有这 些单元可满足m s c n a s t r a n 各种分析功能的需要，且保证求解的高精度和高可靠 性。模型建好后，m s c n a s t r a n 即可进行分析，如动力学、非线性分析：灵敏度 分析、热分析等等。此外，m s c n a s t r a n 的新版本中还增加了更为完善的梁单元库， 同时新的基于p 单元技术的界面单元的引入，可有效地处理网格划分的不连续性 ( 如实体单元与板壳单元的连接) ，并自动地进行m p c 约束。m s c n a s t r a n 的 r s s c o n 连接单元可将壳一实体自动连接，使组合结构的建模更加方便。其主要 功能有：静力分析、曲屈分析、动力学分析、非线性分析、热传导分析、空气动 力弹性击颤振分析、流固耦合分析、多级超单元分析、高级对称分析以及设计 灵敏度及优化分析。 除以上所述的这些功能之外，m s c n a s t r a n 还具有很强的复合材料分析功能， 并有多种可应用的单元供用