压力管道开孔补强分析

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］针对冶金行业大管道开孔的补强，本文通过Ansysll.O对冶金行

业中常见的人字接管和斜接管进行了补强分析，详细比较了不同补强方式

对接管结构应力集中的阻碍，为冶金行业接管补强的选择提供了理论依据,

具有较为重要的意义。

［关键词］人字接管斜接管等面积补强操纵变形补强

1引言

管道结构广泛应用于冶金、动力、石油、化工及机械等行业，是许多

工厂的重要组成部分。为了满足使用需要，管道上通常需要开孔接管或连

接三通，如此就造成管道的不连续，局部存在应力集中。

关于冶金行业来讲，存在大量管道与管道之间的斜接以及连通结构，

这些结构形式相对比较复杂，在研究中除了考虑载荷工况、直径大小外，

还需要考虑接管交角对结构强度的阻碍，目前对其的应力分析要紧靠体会

进行［1,2,3］；另外，冶金行业里的接管大都直径较大，管道开孔相贯处的强

度削弱极为明显。因此，研究管道开孔的补强，是具有较为重要的实际意

义的。本文以两个工程实例［4,5］为对象，对冶金行业中常见的人字接管和

斜接管的开孔补强进行了详细的分析，为冶金行业接管补强的选择提供了

理论依据。

2研究背景

开孔补强设计是压力容器设计［6］中的一个重要部分，开孔除削弱器壁

的强度外，在壳体和接管的连接处，由于结构的连续性被破坏，会产生专

门高的局部应力集中，导致该区域薄弱而易发生失效，给压力容器的安全

运行带来隐患甚至显现事故。在冶金工程的管道设计中，管道往往开孔确

实是大开孔，或者接管主管等直径，或者接管比主管略小，在这些情形下,

接管和主管的相贯处强度削弱极为明显［7］。

图1为宝钢工程中煤气管道两种典型的接管方式示意，（a）为人字接管,

（b）为斜接管。图中（a）、（b）所示接管均为大直径接管，（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。

在实际的工程应用中，图1(a)所示人字接管在接管相交的“裤裆”处显

现极高的应力，图1(b)所示斜接管在斜接管与小管相交的锐角端显现断裂

事故，事故发生位置如图1所示。

为分析上述两种事故的缘故，本文以ansysll.O为工具，对图1所示的

两种接管进行了应力分析，在此基础上，全面详细的比较了工程上各种补

强方式的成效，为冶金行业接管补强的选择提供了理论依据，具有较为重

要的工程实际意义。

(b)

图1煤气管道接管两例

3事故分析

针对图1所示的两类接管(a)、(b),利用ansysll.O进行了应力分析，分

析结果表明：1)对图1(a)的接管形式，最大应力显现在接管相交的“裤裆”

处，变形的最大处不和最大应力处重合，显现在沿相贯线回转约90。的地

点，即图(a)中的“肚脐”邻近，其发生的机制为管道在内压作用下的“趋

圆”变形特点。2)对图1(b)的接管形式，在接管处的锐角部位，显现了专

门高的应力集中，最大应力处和事故位置一致；变形的最大处显现在接管

相贯处，部位为最大应力处沿相贯线回转约90。的钝角部位邻近，该部位

在“内压趋圆”时明显是最易变形。

上述分析表明，关于人字接管和斜接管而言，由于几何结构不连续，

管道壁厚不足，在承担应力的情形下产生了较大的应力集中，导致断裂，

运算结果和实际的事故情形是吻合的。

上述两种接管形式局部应力专门高，故须做适当的开孔补强以降低接

管区域的应力集中。本文先从传统的等面积法入手，在补强成效欠佳时再

着眼于操纵变形来操纵应力，成效明显。

4等面积补强法

管道的开孔补强传统上多采纳等面积法，其方法是：对开孔而被削弱

的部位补强加厚，补焊的面积应等于开孔去掉的钢板面积。

图1(a)人字接管的等面积补强方式见图2,其中补强范畴(图2(a)红色区

域、图2(b)红色区域、图2(c)绿色区域、图2(d)蓝色区域)从(a)至(d)依次增

大，运算结果见表1。

(a)(b)

(c)

(d)

图2人字接管等面积补强法示意图

表1人字接管等面积补强成效

一次十二次应力强度(MPa)就强度降低补强模型

补

前

强60

22

方

式

1609%图2z

20<a\

\7

方

式

16图

250%2Zb\.

1427e7

方

式

图

3l0%2ze\

9238(

x7

方

图

式359d

4%2zJX

2fkZ

由表1可见，随着补强区域的扩大，局部应力强度逐步下降，但应力

强度最大值仍旧专门高。

图1(b)斜接管的等面积补强方式见图3,图3所示为斜接管开孔处的补

强范畴。图3的运算结果见表2。

由表2可见，尽管等面积补强能够使局部应力强度迅速下降，但最大

应力仍旧专门高。

表2斜接管等面积补强成效

一次+二次应力强度(MPa)应力强度降低补强模型

补强前1177

补强后64345%图3

图3斜接管等面积补强法示意图

综上所述，对图1所示的两类接管(a)、(b)采纳等面积补强方法补强,

其成效均不理想。

5操纵变形补强法

操纵变形法是通过对最大变形处进行限制来达到减小局部应力的目

的，此次研究中分别采取杆单元和面单元对最大变形处进行操纵，分别模

拟实际情形中用隔板、角钢和加大筋进行操纵变形补强的情形。

5.1人字接管的操纵变形补强

人字接管的操纵变形补强要紧通过在最大变形位置处加中间隔板的方

式来实现，具体如图4所示。补强的运算结果见表3,从表3能够看出，人

字接管采纳加中间F强度大幅降低，补强

成效明显。

图4人字接管隔板补强示意图

表3人字接管隔板补强成效

一次十二次应力强度(MPa)应力强度降低补强模型

补强前2260

补强后34685%图4

5.2斜接管的操纵变形补强

斜接管的操纵变形补强要紧通过在最大变形位置处加隔板、角钢以及

加大筋来实现，具体如图5、图6及图7所示。

(a)隔板不开孔(b)隔板

开单孔

(c)隔板开双孔(d)隔板大

面积开孔

图5斜接管隔板补强示意

图6斜接管角钢补强示意图7斜接管加大筋补

强示意

图5是采纳隔板对斜接管进行补强的示意图。隔板补强用面单元进行

模拟，考虑煤气管道中的气体流量，隔板补强后必须留够足够的空间，为

找出最优的方法，采纳了如下（a）〜（d）四种隔板补强方式进行模拟，补强的结

果如表4所示。由表4可知，当隔板开孔面积不大于50%时，应力强度大

幅降低，补强成效明显。

图6是采纳角钢对斜接管进行补强的示意图。角钢补强用面单元进行

模拟，沿斜接管的相贯线加角钢，角钢用面单元模拟，角钢的厚度由单元

厚度操纵，具体如图6所示。角钢补强法的成效要紧受角钢厚度的阻碍，

分别取角钢厚度为1、1.5、2、2.5倍壁厚进行运算，结果如表5所示。由

表5可见，随着角钢厚度的增大，补强成效的增加是明显的，但应力强度

降低的幅度相比隔板补强显得不足。

表4斜接管隔板补强成效

开孔面积百分比一次+二次应力强度（MPa）应力强度降低补强模型

补

前

强1177

方

式1

0（不开孔）18684%图5(a)

方

式2

~25%18884%图5(b)

方

式3

-50%18584%图5(c)

方

式4

~75%42764%图5(d)

表5斜接管角钢补强成效

角钢厚度一次+二次应力强度（MPa）应力强度降低

补廊H77

方式11倍壁厚44262%

方式21.5倍壁厚34771%

方式32倍壁厚28776%

方式42.5倍壁厚25678%

图7是采纳加大筋对斜接管进行补强的示意图。加大筋补强用杆单元

进行模拟，在最大变形处的相贯线上找出对应的节点，再连接成杆单元，

见图6。补强的结果如表6所示。由表6可知，斜接管采纳加大筋进行操纵

变形补强时，应力强度降低不多，补强成效不明显。

表6斜接管加大筋补强成效

一次十二次应力强度(MPa)应力强度降低补强模型

补强前1177

补强后91722%图7

6结论

本文以两个工程实例为对象，对冶金行业中常见的人字接管和斜接管

的开孔补强进行了详细的分析，得到如下结论：

1)当等面积法的补强成效较差时，能够按照“内压趋圆”现象，

找到变形最大处，试从操纵变形的角度来操纵应力。

2)关于人字接管，采纳中间隔板进行内补强，具有较好的补强成

效。

3)关于斜接管，采纳隔板内补强和角钢外补强均具有较好的补强

成效，相比较而言，隔板内补强成效更好，但对管道内气路可能