管道局部应力分析及工业应用研究

刘艳

摘要：文中以大庆石化炼油厂减压转油线改造项目特殊制作的Y型三通为例，分析了压力管道和压力容器应力分类及校核准则的不同之处，介绍用ANSYS WORKBENCH有限元分析软件模拟计算Y型三通局部应力的方法，讨论了Y型的三通局部应力以及改进方法。

关键词：Y型三通； 有限元； 数值模拟； 局部应力

引言

随着炼油装置逐渐大型化以及工艺条件要求的提高，目前转油线通常采用Y型三通或者裤型三通逐级扩径，使流线顺畅，以减小压力降和温度降。但是Y型三通、裤型三通的局部会造成应力高度集中，给设备造成很大隐患。在以往的设计中，受到技术因素的限制，很难对这种应力集中程度进行分析，所以局部应力集中程度一直尚不清楚，因此有必要对其进行应力分析[1]。

1 有限元模型的建立

1.1 几何模型的建立

减压转油线设计采用的是Y型三通，设计温度为410 ℃，管道为复合管，材料为20R和内复合层316L（复合层316L强度计算不考虑），Y型三通与管道的连接形式为焊接。Y型三通结构尺寸图见图1。

1.2 单元类型的选择

根据Y型三通部件的结构特点，在Y型三通的焊缝处会产生应力集中[3]。采用梁单元模型（CaesarII）无法得到较精确的结果，采用壳单元也不能得到沿薄厚方向应力场，因此必须采用实体单元模拟。该模型主体部分选用的单元均为ANSYS的SOLID187实体单元。

1.3 材料的力学性能

该模型所采用的材料是20R和316L，材料力学性能及许用应力见表1。

1.4 边界条件与载荷

Y型三通在承受内压的同时各管口同时承受外部的管道载荷作用[4]，保守起见承受的内压为其设计压力，边界条件分为3种情况。主要是为了避免刚体位移的产生，各个模型管口载荷的施加方式是：固定1个管口，在另外2个管口施加载荷，所以共有3个工况组合。Y型三通三个截面的受力情况见表2；包括管口的力和力矩，作为外载荷加载到有限元模型中，另外模型还加入温度载荷410℃，见图2。

1.5 网格划分

该有限元模型采用六面体网格划分，在厚度方向设有两层单元，在结构刚度不连续处，即应力集中的地方，加密了网格的划分[5]。有限元模型见图3。

2 结果分析

分析Y型三通应力应力等值线可以看出，等效应力最大值发生在Y型三通的中间部位，见图4。

3种工况下Y型三通的最大冯米塞斯等效应力均小于许用极限84.8 MPa。等效应力小于设计温度下的许用应力强度，可以认为一次总体薄膜应力强度合格。另外，一次局部薄膜应力强度和一次加二次应力强度这2项强度指标需要对结果文件进行路径线性化处理得到和，选择的路径穿过应力最大的点，经过线性化处理，然后再分别与一次局部薄膜应力强度和一次加二次应力强度的许用值进行对比，如果3个强度条件都满足条件，才可以认为Y型三通的强度在设计条件下是合格的。3种工况共选择3个路径。路径线性化校核数据见表3，4。

可见一次局部薄膜应力强度和一次加二次应力强度都满足许用条件，所以得出结论：该Y型三通的强度在设计条件下是合格的。

3 结论

（1） 用ANSYS WORKBENCH建立了Y型三通的三维有限元模型，通过对模型网格加密、合理地施加外载荷提高计算精度，得到的计算结果是合理可信的。

（2）计算结果表明，尽管Y型三通的应力集中程度较高，但是在当前的载荷下，仍然具有较高的强度裕度。

（3）ANSYS WORKBENCH与ANSYS比较，ANSYS WORKBENCH界面友好，工程化应用流程，操作简单，而且可以将所有的输入值、输出值参数化，方便对结构进行优化设计，所以非常适合工程设计人员使用。

參考文献：

[1] 唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2009：26-31.

[2] 美国机械工程师学会.美国国家标准.ASME B31.3[S].北京：中国石化出版社，2013：13-18.

[3] 浦广益.ANSYSWORKBENCH 12基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2010：19-26.

[4] 温德超，赵军，孟令岩.圆柱分支管Y型三通相贯线的计算及应力集中区域[J].管道技术与设备，2004（3）：42-45.

[5] 唐永进.特殊形状三通管道的应力分析[J].石油化工设备技术，2005（6）：23-25.