內壓作用下等徑三通的有限元分析

姜運建，李文彬，馮硯廳，趙紀峰，王　勇

(國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊　050021)

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內壓作用下等徑三通的有限元分析

姜運建，李文彬，馮硯廳，趙紀峰，王勇

(國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊050021)

摘要：針對如何確定電廠熱力管道三通檢驗部位問題，應用ABAQUS軟件對大型厚壁等徑三通在受內壓作用下的應力進行計算和分析，得到三通模型的應力分布規律，通過介紹某電廠三通的開裂檢測情況驗證了三通有限元分析的正確性，提出對三通進行無損檢測時，應重點對肩部的內表面和腹部外表面進行檢測。

關鍵詞：有限元分析；三通；應力分析；ABAQUS

管道三通是一種從主管接出支管的管件，為管系載荷的集中部位，不僅承受內壓，還往往受到彎矩、扭矩、軸向力的作用。三通不僅是管道改向和物料分流的重要結構，而且是一種重要的柔性元件，能夠有效地消除管系中因溫差和安裝尺寸偏差等原因造成的應力。與管道中直管段相比，三通屬于大開孔結構，存在幾何形狀不連續因素，在相貫線的拐角處會形成極大的應力集中[1]。由于厚壁等徑三通結構復雜，開孔直徑大，主管和支管相貫造成結構不連續，使得其應力分布相當復雜，至今沒有成熟的應力強度理論計算方法。對于在比較重要的場合應用的管道三通，大多數是依靠有限元計算和試驗等手段，得到其應力應變分布。在實際的工程配管設計中，目前大直徑的厚壁三通管還沒有相應的設計、制造標準。以下利用ABAQUS軟件[2]，采用C3D4單元劃分網格，對一大型厚壁(φ356 mm ×55 mm)等徑三通進行有限元分析[3]。

1有限元分析過程

1.1三通尺寸

有限元所分析的管道三通為厚壁等徑正交三通，將模型簡化為2個理想等直徑中空圓柱體正交相貫，并且導出圓角。不考慮支管開孔的加強。為避免約束和外載引起的邊緣效應，在主支管端分別增加一定長度的直管段，管道三通直管段壁厚為55 mm，其余尺寸見圖1。

圖1　三通尺寸(單位：mm)

1.2有限元模型

有限元模型是實際結構的數學表達模式，采用大型商用ABAQUS軟件，利用實體建模方法，對整個三通建立有限元模型，單元類型為C3D4，共計38 964個單元[4]。主管和支管取同種材料，其彈性模量E=2．1×1011Pa、泊松比μ=0.3。

1.3載荷及約束

對受內壓的三通，模型內表面上施加均布內壓載大小為40 MPa，不考慮外部載荷。三通支管管上端面上約束其徑向平面內的2個方向轉動位移，支管上端面的軸向位移[5]。

2有限元分析結果

2.1有限元分析云圖

采用通用靜態分析。其分析結果的MIS應力云圖見圖2，其中的變形為放大637倍后的變形圖。由圖2可知，外壁肩部應力較小，腹部應力較大；內壁肩部及支管正對的主管底部應力較大；三通受內壓時腹部向外膨脹，肩部向內收縮。

(a)　三通外壁MIS應力分布及變形

(b)　三通內壁MIS應力分布及變形

圖2三通MIS應力分布及變形

2.2不同路徑應力分布

進一步分析三通的承受內壓后沿其外壁和內壁在相貫線處的應力變化，分別選取了三通外壁和內壁4條分析路徑。路徑1，沿三通外壁支管-肩部-主管；路徑2，沿三通外壁支管-腹部-主管；路徑3，沿三通內壁支管-肩部-主管；路徑4，沿三通內壁支管-腹部-主管。

圖3為沿路徑1的MIS應力分布規律，在支管和主管上應力較為穩定約75 MPa,在肩部應力下降，在拐角處應力最低為40 MPa。圖4為沿路徑2的MIS應力分布規律，在支管和主管上應力較為穩定約75 MPa,在腹部應力上升，在腹部應力最高為140 MPa。圖5為沿路徑3的MIS應力分布規律，在支管和主管上應力較為穩定約110 MPa,在肩部應力上升，在肩部應力最高為200 MPa。

圖3　支管-肩部-主管路徑(外壁)應力分布

圖4　支管-腹部-主管路徑(外壁)應力分布

圖5　支管-肩部-主管路徑(內壁)應力分布

圖6為沿路徑4的MIS應力分布規律，在支管應力約110 MPa,在腹部應力下降，最小約75 MPa，經過腹部后主管上的應力開始上升，支管正對的主管底部應力最高為145 MPa。

圖6　支管-腹部-主管路徑(內壁)應力分布

通過對該三通模型的有限元分析，可知在內壓載荷下三通肩部內表面MIS應力最大為200 MPa；三通肩部外表面MIS應力最大50 MPa；三通腹部內表面MIS應力最大為80 MPa；三通腹部外表面MIS應力最大為145 MPa。三通承受內壓最危險部位為肩部內表面，同時腹部外表面應力較高。對三通進行無損檢測時，應重點對三通肩部的內表面和三通腹部外表面進行檢測。

3實例分析

某電廠鍋爐主蒸汽管道的某一異徑三通為鍛造件，材質為SA-335P91，規格為：外徑φ575.1 mm×φ575.1 mm×φ540.0 mm/內徑φ419.1 mm×φ419.1 mm×φ392.0mm，設計壓力27.6 MPa，設計溫度576 ℃。運行約5×105h，發生開裂泄漏事故。經檢查異徑三通處存在兩條貫穿裂紋，一條位于三通前側的三通倒角半徑處，為縱向裂紋，長度約60 mm，寬約2 mm，一條位于三通管直徑為φ575 mm的接管下部，距離該接管下端的焊縫約15 mm，為環向裂紋，長度約60 mm，寬約2 mm，見圖7。

三通倒角半徑加工時應力未完全釋放，安裝焊縫焊接后熱處理工藝可能存在欠缺，在管系溫度變化時，存在較大的應力集中，最后形成三通環向裂紋，從前面的有限元分析可知，在三通的肩部內壁應力最大，該三通在管系中屬于相對薄弱的部位，開裂時從三通肩部內壁向外貫穿開裂，與有限元計算結果相符。對三通進行無損檢測時，應重點對三通肩部的內表面和腹部外表面進行檢測。

(a)　三通外壁裂紋

(b)　三通內壁縱向裂紋

4結論

應用ABAQUS軟件對三通在受內壓作用下的應力進行了計算和分析，得到了三通模型的應力分布規律，得到如下結論。

a. 管道三通受內壓時腹部向外膨脹，肩部向內收縮。

b. 管道三通外壁應力情況為，外壁肩部應力較小；腹部應力較大。內壁應力情況為，內壁肩部應力較大；腹部應力較小。

c. 某電廠三通的開裂情況驗證了三通有限元分析的正確性，今后對三通進行無損檢測時，應重點對三通肩部的內表面和腹部外表面進行檢測。

參考文獻：

[1]陳建平.壓力管道三通結構破壞機理分析[J]. 機電技術，2006(6)：47-48.

[2]劉展.ABAQUS6.6基礎教程與實例詳解[M].北京:中國水利水電出版社,2008.

[3]曹海兵,江楠.大型厚壁等徑焊接三通應力的有限元分析[J].化工機械,2008,35(4):216-219.

[4]張清懿.鍋爐管道三通的建模分析及評價[J]. 化工機械, 2011,38(1):94-96,103.

[5]軒福貞,李培寧,涂善東.復雜載荷下管道三通的塑性極限載荷[J].機械強度，2003，25(6)：646-650.

本文責任編輯：靳書海

Finite Element Analysis of T-pipe of Equal DiameterUnder Internal Pressure

Jiang Yunjian,Li Wenbin,Feng Yanting,Zhao Jifeng,Wang Yong

(State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

Abstract：In order to solve the problem of inspection site of T pipe in the power plant heat pipe,The calculation and analysis of the stress of a equal diameter T pipe under intemal pressure were carried out using ABAQUS software.The stress distribution law of the T pipe is derived.The finite element anaysis is good by crack of T pipe at an electric power plant.The inner surface of shoulder and the outer surface of abdomen in T pipe should be focused on as nondestructive testing.

Key words：finite element analysis;T pipe;stress analysis;ABAQUS

收稿日期：2016-03-01

作者簡介：姜運建(1963-)，男，高級工程師，主要從事電站高溫設備及壓力容器壽命評價技術研究與管理工作。

中圖分類號：TV311

文獻標志碼：B

文章編號：1001-9898(2016)03-0001-03