大口径等厚异径焊接斜三通有限元强度分析

李梦丽,马晓晖,商显栋,毕金鹏,王军丽,侯怡航,张 明*

1.齐鲁工业大学(山东省科学院) 机械与汽车工程学院,济南 250353 2.山东恒力新能源工程有限公司,济南 250101 3.山东省特种设备检验研究院有限公司,济南 250000 4.液化空气(杭州)有限公司,杭州 311112

压力管道[1]在工业领域中通常担负着输送易燃易爆有毒介质的重要任务。其中三通是管道改向和物料分流的重要结构,在管道汇中发挥着极其重要的作用。压力管道三通从力学模型上是一种圆柱壳开孔接管结构,由于大开孔结构破坏了压力管道原有结构的连续性,因而在支管与主管连接区域产生了明显的应力集中,以至于在正常工况下,该处可能发生屈服。三通不仅承受内压,还受到轴向力、扭矩、弯矩的作用,增加了其发生疲劳断裂、应力腐蚀、局部鼓胀、泄漏及爆破的可能,使之成为构件中的最薄弱环节[2],在工业领域中,三通管道的失效容易造成整个系统的瘫痪,同时也会造成巨大的损失,因此三通的强度设计和安全使用具有重要意义[3-4]。

压力管道的应力分析是压力管道设计分析与制造的基础,也是对压力管道进行强度和安全评定的依据。对压力管道大开孔接管区的应力进行分析有助于避免因塑形破坏引起的工作失效[5]。由于大直径等厚异径三通结构复杂,开孔直径大,主管和支管相贯造成结构不连续,使得其应力分布相当复杂。目前管道的开孔接管和三通的设计都是近似的经验分析,不能得到具体的管道的开孔接管和三通的应力分布[6-7]。

作者利用ANSYS Workbench对三通进行应力分析[8],然后根据JB4732对集中应力进行评估,对高应力区进行强度校核,在工程上具有重要意义。

1 有限元建模

1.1 几何模型

三通的几何结构如图1所示。支管与主管轴线呈45°夹角,支管翻边与主管对焊,焊接接头系数为1。

图1 三通几何结构图/mm

1.2 建模及网格划分

该三通虽然是轴对称结构,但在弯矩作用下左右两侧受力并不完全对称,所以需要对三通整体进行建模和分析。有限元模型的建模计算分析采用ANSYS Workbench软件。三通有限元实体模型根据其几何结构图建模,如图2所示。

图2 三通有限元实体模型图

对三通整体模型进行网格划分时,根据应力梯度和关注区域确定网格疏密程度。主管和支管相贯区域结构不连续,应力较大,适当增加网格密度。在距离相贯区较远的主管和支管部分,网格划分相对稀疏。采用六面体为主保留中节点的网格划分,三通模型网格划分见图3,共计89 964个单元,288 986个节点。

图3 三通有限元网格划分

1.3 载荷、边界条件及材料性能

本模型的计算分析包含设计载荷工况和操作载荷工况。为了模拟三通端部封闭的情况,将内压载荷使用拉美公式[9]折算为作用端面上的均布拉伸载荷。

(1)

式中:p——管子内压,MPa；

Ri——管子内径,mm；

Ro——管子外径,mm。

根据管件尺寸及管子内压,在主管端面施加均布拉应力12.79 MPa,支管端部施加均布拉应力13.27 MPa。

边界条件施加如下:主管一侧端面施加固定约束,在主管另一侧端面和支管端面施加内压的等效载荷和管口载荷,三通内表面压力均布。管口荷载如表1所示,设计载荷工况和操作载荷工况边界条件及载荷施加见图4。

表1 管口荷载表

计算采用冯米塞斯屈服准则。三通材质A516Gr60在设计温度260 ℃下的力学性能参数为:弹性模量E=188 GPa,泊松比μ=0.3,密度ρ=7 750 kg/m3,设计应力强度Sm=117 MPa。

图4 设计载荷工况和操作载荷工况条件施加

2 结果与分析

2.1 等效应力

三通在设计载荷下的冯米塞斯等效应力如图5所示。最大应力为234.89 MPa,出现在外侧腹部(管口向左),位置如图中所示。肩部锐角处和支管管口向右时外侧腹部也是高应力区,最大应力分别为222.97 MPa和199.09 MPa。肩部钝角处应力水平较低,与远离相贯区的直管处应力水平相当。主管与支管相贯处的最大应力约是肩部钝角处应力的7倍。

图5 设计载荷工况应力分布

三通在操作载荷下的冯米塞斯等效应力如图6所示。最大应力为228.56 MPa,出现在相贯区肩部锐角处,位置如图中所示。腹部位置也是高应力区,支管管口向左时外侧腹部最大应力为218.09 MPa,内侧腹部最大应力为211.88 MPa。肩部钝角处应力水平较低,最大应力约是此处7倍。

在内压和外载联合作用的两种工况下,主管和支管的相贯区应力较直管区大,其中肩部锐角处和两侧腹部都是高应力区,离开这三个部分应力下降较快,肩部钝角处应力较低。

图6 操作载荷工况应力分布

2.2 应力评定方法

图5和图6的计算结果包含了一次应力、二次应力和峰值应力在内的总应力场。一次应力是平衡外加载荷所必需的应力,随外载荷增加而增加,具有“非自限性”；二次应力是由相邻部件的约束或结构自身约束所引起的正应力或切应力,具有“自限性”[9]。

对各类应力及其组合的当量应力应给予不同的限制条件。JB 4732-1995(R2005)[10]中5.3给出了应力强度的评定依据:一次局部薄膜应力强度值SⅡ的许用极限为1.5 KSm；一次加二次应力强度值SⅣ的许用极限为3Sm。按照上述评判依据,对各类计算应力值与材料许用应力值进行比较,从而完成应力评定,确定结构承压条件下的安全性。

采用“等效线性化方法”把各类应力从应力中区分出来。对结构各部位进行应力计算,按选择的危险截面的各应力分量沿一条应力处理线进行均匀化和当量线性化处理,然后进行应力分类评价。

应力分析路径见图7,分别在三通结构的肩部锐角、两侧腹部和肩部钝角处各取一条路径。四条路径都位于主管和支管的过渡区,肩部锐角和腹部分别取经过该处最大应力穿透壁厚的最短路径,肩部钝角处取主管与支管过渡区肩部锐角的180°方向穿透壁厚的最短路径。

图7 应力线性化评定线

2.3 应力评定

根据计算模型的有限元分析结果,在选定的评价位置(见图7)进行应力线性化处理,设计工况和操作工况分别如图8和图9所示,a)至d)分别为路径A-D的应力线性化处理。薄膜加弯曲应力以及总应力沿壁厚方向呈现先减小后增大的趋势,在壁厚方向中部应力较小。在三通肩部锐角和钝角处,最大应力都出现在内壁,其应力大于外壁应力；在三通两侧腹部,最大应力都出现在外壁,其应力大于内壁应力。

应力强度按3.2应力评定方法进行分类及评定,薄膜应力为一次局部薄膜应力,薄膜加弯曲应力为一次加二次应力强度,评定结果见表2。

在设计工况K=1,设计应力强度1.5KSm=175.5 MPa,3Sm=351 MPa时,评定路径A的SⅡ、SⅣ分别为133.53、259.27 MPa,评定结果为通过;评定路径B的SⅡ、SⅣ分别为76.488、118.2 MPa,评定结果为通过;评定路径C的SⅡ、SⅣ分别为21.112、38.61 MPa,评定结果为通过;评定路径D的SⅡ、SⅣ分别为60.639、218.81 MPa,评定结果为通过。

在操作工况K=1,设计应力强度1.5KSm=175.5 MPa,3Sm=351 MPa时,评定路径A的SⅡ、SⅣ分别为133.49、258.16 MPa,评定结果为通过;评定路径B的SⅡ、SⅣ分别为74.074、200.16 MPa,评定结果为通过;评定路径C的SⅡ、SⅣ分别为22.404、39.461 MPa,评定结果为通过;评定路径D的SⅡ、SⅣ分别为55.367、206.9 MPa,评定结果为通过。

图8 设计工况线性化应力图

图9 操作工况线性化应力图

表2 结构应力分类与评定

3 结 论

1)三通锐角肩部和腹部都是高应力区,管道在不同外载情况下,最大应力可能出现在肩部或腹部,因此该部分容易萌生裂纹,是危险区域。肩部钝角应力较小。主管和支管相贯区最大应力约是肩部钝角处7倍。

2)所取的4处应力线性化评定线,总应力呈现先减小后增大的趋势,肩部锐角的内壁和腹部的外壁具有更大应力,在壁厚方向中部应力水平较低。

3)在文中所述边界条件下,根据计算结果,该非标准件的三通应力强度符合JB 4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》的相关要求。