45°鍛制嵌入式支管座結構應力分析與試驗研究*

焦 程 趙建平 王 鵬 姚明華

(1.南京工業大學機械與動力工程學院；2.無錫江陰金童石化管件有限公司)

管道分支管件可以分為三通和支管座兩種常見形式，國內工業管道中的三通種類繁多，以往常采用鑄造三通、焊接三通及擠壓三通等形式[1]。近年來，國外在一些核電裝置和高壓臨氫結構上常采用支管座結構，制定了支管座的相關標準MSS SP-97-2006[2]，不少制造廠家已經成規模投入生產，如美國WFI公司。該結構具有受力均勻、應力集中系數小、承載能力高及將原角焊縫轉變為對接焊縫等特點，已逐步代替傳統使用的異徑三通、補強板及加強管段等支管連接型式。在國內，鍛制支管座在一些工藝管道分支處的應用上已呈上升趨勢[3]，國內部分管件制造商已經按供貨要求各自設計制造這種管件，但缺乏全面的分析研究，還沒有統一的設計和制造標準。

一些三通有限元計算和試驗應力分析表明分支管件結構的最高應力出現在支管和主管相貫的內壁轉角處，在長期工作后容易出現裂紋[4,5]。王鵬等利用有限元分析方法模擬了相同基體尺寸和相同載荷下90°焊接三通、擠壓三通和鍛制嵌入式支管座的整體應力情況，發現雖然管接頭形式不同，但最大應力點都在主管與支管連接的內壁處。根據第三強度理論所得的最大應力值有比較大的變化，結果表明當采用鍛制嵌入式支管座時，應力水平降低，承載能力提高[6]。筆者主要研究45°鍛制嵌入式支管座受載下的應力狀態，并通過爆破試驗進行驗證對比。

1 鍛制嵌入式支管座承載能力數值模擬和試驗分析

1.1有限元計算

筆者研究的鍛制嵌入式支管座是支管軸向與主管軸向為45°連接的異徑整體加強式管接頭，其結構如圖1所示。三維有限元數值分析可以準確地描述45°支管座的應力分布，使應力的計算更為精確[7]，因此采用有限元分析方法，建立相應的三維模型(圖2)，應用ANSYS軟件進行結構應力分析。45°支管座結構參數如下：

主管尺寸φ273mm×9.3mm

支管尺寸φ114mm×7.1mm

軸向焊縫間距W179mm

環向焊縫間距W1165mm

結構高度H138mm

本體外徑D1273mm

外圓角半徑R110mm

內圓角半徑R215mm

圖1 45°鍛制嵌入式支管座結構示意圖

圖2 45°支管座有限元三維模型

在以往的圓柱殼開孔接管的有限元計算中發現，用殼單元計算的接管區的應力集中系數明顯偏高。為了獲得支管座完整而精確的應力場，筆者采用三維實體單元。支管座材料選用F304鋼，由于結構對稱性，筆者采用支管座的1/2模型。如圖3所示在對稱面A、B、C上施加對稱約束，模型z方向為主管軸向；支管座受內壓6.6MPa，在支管端面F面上施加垂直端面方向的位移約束和由內壓p引起的等效壓力載荷；在主管端面D、E上施加z方向位移約束和等效壓力載荷。筆者采用有限元方法，借助ANSYS軟件的強大結構分析功能，對45°支管座的應力分布進行分析[8]，經過ANSYS計算求解，所得初始應力分布如圖3所示，最大Tresca應力值為334.0MPa。

圖3 45°支管座應力分布

1.2爆破試驗

試驗容器材料為F304鋼。沿焊縫兩端、支管座側腹部及支管座長肩部等重要軌跡線布電阻應變片，試件的外壁應變測量測點布置如圖4所示。為了消除應變片的滯后現象[9]，進行了3次預加載，將試驗壓力逐級加載至6.0MPa，然后卸載至0.0MPa，最后正式加載至爆破，最終的爆破壓力為63.1MPa。

圖4 電阻應變片的布片方案

2 數值模擬和試驗結果分析

2.1應力分布分析與對比

從有限元模擬結果可以看出，支管座的應力分布特征主要表現在：最大應力強度分布在鍛制支管座肩部的銳角側內壁處，此處具有最大的應力集中系數，從該點開始支管座的應力隨距離的增加而急速降低；容器環焊縫部應力變化不大，容器腹部靠近焊縫區應力比遠離焊縫區要高。從總體看，鍛制嵌入式支管座的受力均勻，沒有明顯的應力突變點。

圖5為6.6MPa水壓試驗下焊縫和腹部兩條軌跡線上的試驗數據(表1)與模擬數據對比圖，從圖5可以看出，測試應力結果與模擬數據吻合情況較好，誤差基本在10%以內，在遠離焊縫過渡區的應力趨于平緩，分布均勻，基本趨同于理論一次薄膜應力，在焊縫周圍的區域應力都有一個波峰值，集中在點12和點13的位置，彎曲應力、二次應力有所增加。觀察試驗過程可知，該區域也是除了筒體以外最先發生塑性變形的區域。總體上看，無論是環焊縫軌跡線還是腹部軌跡線上的應力都沒有明顯的突變點，和模擬數值相差不大，驗證了45°嵌入式支管座的承載能力。

圖5 6.6MPa水壓試驗下支管座接管焊縫區和腹部應力對比

表1 45°支管座在水壓6.6MPa下試驗測量Tresca應力值 MPa

2.2爆破壓力分析

45°支管座在壓力為63.1MPa時，沿筒體軸向大范圍撕裂爆破，根據工程中通常使用的爆破壓力計算公式Faupel公式[10]，計算出該尺寸下支管座的爆破壓力為41.6MPa，實際爆破壓力比理論爆破壓力高50%。

大量試驗表明，無補強情況下的三通部件一般在兩側焊縫相交的尖點開始爆破[11]。45°支管座爆破瞬間過后，破口為大開口剪切唇，無明顯金屬缺陷，屬典型的塑性破壞。爆破點在主管壁遠離焊縫過渡區，屬于正常的一次薄膜應力破壞。從爆破后的照片能看出，支管筒體塑性變形遠比支管座連接處變形大，間接說明了支管座連接處的強度高于筒體部位的強度。對焊支管座不僅優化了部分三通加補強圈的結構，其對焊的特點更消弱了由原來角焊縫帶來的焊接質量不穩定的影響。

3 結論

3.1有限元結果表明，45°支管座的最大應力強度分布在鍛制支管座肩部的銳角側內壁處，此處具有最大的應力集中系數，從此點開始支管座的應力隨距離的的增加而急速降低。容器環焊縫部應力數值變化不大，容器腹部靠近焊縫區應力比遠離焊縫區要高。

3.2爆破試驗結果表明，無論是45°支管座環焊縫部，還是支管座腹部，應力分布都很均勻，沒有明顯的突變點。并且和模擬數據吻合情況良好，誤差基本在10%以內，焊縫結合處雖有彎曲應力、二次應力，但不影響整體的強度性能。有效地驗證了數值模擬的真實性。

3.3爆破點在主管壁遠離焊縫過渡區，爆破壓力高于理論壓力，爆后支管座連接區沒有過大的塑性變形，說明45°支管座的結構是可靠的。

參考文獻

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