直埋供熱焊制三通支管對三通應力影響因素分析

陳 曦,王 飛,王國偉,雷勇剛

(太原理工大學 環境科學與工程學院,太原 030024)

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直埋供熱焊制三通支管對三通應力影響因素分析

陳 曦,王 飛,王國偉,雷勇剛

(太原理工大學 環境科學與工程學院,太原 030024)

為了研究直埋供熱管道焊制三通支管對三通應力的影響,應用ANSYS有限元軟件,對主管管徑為DN1200的大管徑焊制三通進行線性數值模擬分析。分析結果表明:隨著支管短管長度增加,三通腹部應力先增大后減小,短管為200～300 m時有極大值;隨著支管壁厚的增大,三通腹部應力減小;隨管徑比(支管管徑/主管管徑)增大,三通腹部應力增大;隨著支管彎頭曲率半徑的增大,三通腹部應力值減小;當主管處于錨固段,支管短管及彎頭處加泡沫墊會使三通腹部應力增大；降低三通腹部應力值，優先采用加大支管壁厚,支管彎頭宜使用大曲率半徑彎頭。研究結果對提高焊制三通的安全性具有一定指導意義。

供熱直埋;焊制三通;支管;數值分析;應力分布

能源危機日益嚴重的今天,節能減排的重要性越來越大。近年來,建筑能耗在社會總能耗中所占的比例已經接近33%[1]。集中供熱作為提高能源利用率、降低建筑能耗的供熱方式在近幾年得到了飛躍的發展。不斷擴大的供熱規模和不斷增大的供熱管徑對熱網的安全運行提出了更高的要求。焊制三通作為供熱管網的薄弱環節,研究其應力影響因素,降低三通應力水平、提高供熱的安全性具有極其重要的意義。

國內外關于焊制三通的應力分析有許多研究。ERINGEN[2]、錢令希[3]、LEKERKERKER[4]、STEELE[5]等先后從Donnell扁殼方程出發,得出圓柱殼開孔接管在內壓作用下的分析解,但結果僅適用于部分范圍內的小開孔接管;杜青海和薛明德從圓柱殼Morley方程出發,改善了解的精度,增大了解的適用范圍[6];JUNKE根據ELYIN實驗建立同尺寸有限元模型,得到結果與實驗值相差不大,驗證了有限元分析的科學性[7];劉學等對三通受壓力載荷進行了有限元模擬,結果表明,受內壓荷載的三通最大應力值點出現在肩部[8]。以上均為僅有內壓作用的管道焊制三通應力分析。直埋供熱管道焊制三通與只承受管道內壓力的工藝管道焊制三通相比,受溫度和內壓的耦合作用,其中循環溫差產生的軸向二次應力是影響其應力水平的主要因素,而內壓產生的環向應力為次要因素。目前,對于受溫度和內壓耦合作用的供熱管道焊接三通的應力影響因素的研究相對較少,文獻[9]指出對于承受高軸向力的供熱管道,三通最大應力值出現在腹部;王強[10]采用有限元方法對供熱直埋管道焊制三通進行模擬分析,提出支管軸向二次應力對三通應力有顯著影響。然而文獻[10]通過在三通支管端面施加力和力矩模擬支管軸向二次應力對三通的影響,無法完全符合實際中復雜的工況,不能深入探究支管對于三通應力的影響。因此建立與實際工況相符的全尺寸的有限元模型,系統的分析支管對焊制三通應力的影響具有重大意義。

三通支管對于三通腹部的應力影響首先是支管的結構尺寸,如管徑、壁厚、支管短管長度、短管和支管連接彎頭的曲率半徑,其結構如圖1所示;其次是支管的引出方式,有垂直引分支、平行引分支和跨越引分支;最后是三通支管的安裝方式也就是目前工程實際爭論的焦點,三通支管及其連接彎頭泡沫墊見圖2所示。文獻[11]通過有限元模擬得出了支管引出方式對三通應力水平的影響。本文結合供熱直埋管道分支的布置需要,重點研究三通分支管徑、分支短管長度、短管壁厚(假定短管壁厚等于支管壁厚)、分支彎頭曲率半徑及分支短管、彎頭處加泡沫墊等對三通應力的影響。

圖1 直埋供熱管道焊制三通全尺寸結構模型Fig.1 Directly buried heating pipe welded tee full size model

圖2 直埋供熱管道加泡沫墊斷面圖Fig.2 Directly buried heating pipe foam pad profile

1 有限元模型及計算參數

1.1 模型的建立

供熱直埋管道焊制三通為不規則幾何異形體。為簡化問題,突出主要因素,將三通復雜幾何結構和實際材料進行以下假設。

1) 焊制三通為兩個理想圓筒體正交相貫,即不考慮主支管的加工誤差和橢圓度;

2) 不考慮焊制三通相貫線處焊縫對三通的加強影響;

3) 三通主支管由相同材料制成,具有相同的材料強度。

4) 假設管道材料為理想彈性體,其力學性能為:彈性模量E=19.6×104MPa;泊松比γ=0.3;線性膨脹系數α=12.6×10-6mm.

以ASME B16.9-2012[12]規定的三通尺寸作為參考依據,建立三通模型。根據圣維南原理,為消除由約束導致的邊緣效應對計算結果的影響,主管段在三通尺寸的基礎上,兩端增加3DN長度的直管段[13]。支管段長度取1.1Le(Le值是指用彈性抗彎鉸解析法對L型彎管進行計算時的最小臂長),在1.1Le處設固定墩(這是直埋供熱管道最基本的布置形式)。建立供熱直埋管道焊制三通的全尺寸模型如圖1所示。管道型號及相關尺寸參數見表1。

表1 管道型號及相關尺寸參數表

1.2 網格劃分、施加約束及載荷

模型采用三維8節點實體單元SOLID185。采用COMBIN14單元來模擬土壤及泡沫墊對管道的作用反力。由于三通幾何結構復雜,采用自由網格對模型進行網格劃分,并進行網格獨立性檢驗以保證在不影響計算結果的前提下提高計算效率。

直埋供熱管道焊制三通有限元模型中,施加的荷載主要包括溫度荷載、壓力荷載、位移荷載及土壤荷載。土壤荷載體現在土壤與管道的耦合作用上,通過調整彈簧的彈性系數來模擬土壤及泡沫墊對管道的反作用力。設計供水溫度為130 ℃,安裝溫度為10 ℃,循環溫差為120 ℃,設計壓力為2.5 MPa。對主管及支管的端部施加軸向位移約束,對整個模型施加120 ℃溫度載荷,對三通模型所有內表面施加2.5 MPa的壓力載荷。

2 模擬結果及分析

供熱直埋管道焊制三通最大應力值出現在三通腹部(下面分析三通腹部應力簡稱為三通應力)。由于三通內外表面各點均處于復雜應力狀態,為了確保模擬分析具有足夠高的精度,在取得各個節點的三個主應力后,選用vonMises當量應力,即第四當量應力來分析焊制三通應力水平。

2.1 支管短管長度對焊制三通應力的影響

圖3 DN1200-800焊制三通腹部應力隨支管短管長度的變化Fig.3 DN1200-800 Abdominal stress of welded tee flow rate with length of shot pipe spool

對于主管管徑為DN1200,支管管徑為DN800,支管壁厚為10 mm,支管彎頭曲率半徑為1DN(813 mm)的焊制三通,在支管短管長度分別為100，200，300，500，700，900，1 500 mm,支管短管壁厚等于支管壁厚的條件下,第四當量應力最大值如圖3所示。由圖3可知，隨著支管短管長度的增加,焊制三通腹部應力先增大后減小,在支管短管長度為200 mm時具有峰值。

結合管道材料和三通受力情況綜合分析,支管在溫度荷載的作用下產生軸向應力,支管末端按加固定墩考慮,則支管的熱伸長全部向三通側釋放,通過短管作用于焊制三通,對三通產生彎矩。支管熱應力對三通作用簡圖見圖4所示。其中，A點為短管上端,連接彎頭；B點為短管下端,連接主管；F為熱膨脹力；L為短管長度。如圖4(a)。

圖4 支管對焊制三通作用受力簡圖Fig.4 Tee branch pipe butt welding system function diagram

對于DN800的管道,當支管短管長度小于200 mm時,短管形變和內部各點相對位置變化微小,剛度大。熱膨脹力F不變的情況下,力臂L長度與B點的彎矩呈正比。因此,當短管長度小于200 mm時,短管長度越長,三通應力值越大。當支管短管長度大于200 mm時,在力的作用下,短管本身的形變和內部各點的相對位置變化已經不能忽略,此時短管視為變形體,在支管熱膨力的作用下發生彈性形變如圖4(b)。支管的軸向熱膨力部分轉化為短管的形變,減弱了對三通的影響,使三通應力減小。且支管熱應力不變的前提下,短管長度越長,可變形長度越長,通過形變吸收的支管軸向熱應力越大,三通應力越小。

2.2 支管短管壁厚對焊制三通應力的影響

對于主管管徑為DN1200,支管管徑為DN800,短管長度為500 mm,支管彎頭曲率半徑為1DN(813 mm)的焊制三通,在短管壁厚分別為8，9，10，12，14 mm的情況下,第四當量應力最大值如圖5所示。

圖5 DN1200-800焊制三通應力隨支管短管壁厚的變化Fig.5 DN1200-800 Abdominal stress of welded tee flow rate with the thickness of branch pipe wall

由圖5可知:

當短管壁厚增大時,三通處最大應力值有明顯的下降。尤其當短管壁厚由8 mm增加到9 mm時,三通處最大應力值下降了近19.6%。而當短管壁厚增加至14 mm時,三通處的最大應力值更是比支管短管壁厚8 mm時下降了33.1%。

焊制三通是在主管開孔,將支管、主管焊接而成。而主管開孔后,由于管壁削弱且結構的連續性遭到了破壞,主管和支管的接管相貫處構成了不連續結構,引起了很多附加的不連續應力,主支管相貫區會產生嚴重的應力集中[14]。反映應力集中程度的參數為應力集中系數,見式(1)。

(1)

式中：a為應力集中系數;σ為名義應力(平均應力);σmax為峰值應力(最大應力)。

同時,試驗表明截面尺寸變化愈劇烈,應力集中系數愈大。主管開孔處在內壓和主管軸向熱應力的作用下,發生形變,加劇了應力集中程度。當短管壁厚增加,短管、主管連接的相貫區強度增強,所受載荷不變情況下,減弱了開孔處的變形程度,降低了應力集中系數。結合公式(1)可知,短管壁厚的增加使三通相貫區應力集中系數減小,標示著三通處的峰值應力減小。可見,增加短管壁厚可降低三通應力水平,可作為一種行之有效的三通補強措施。

2.3 支管管徑對焊制三通應力的影響

對于主管管徑為DN1200,短管長度為500 mm,支管壁厚分別為8 mm和表1所示厚度,支管彎頭曲率半徑為1DN的焊制三通,在支管管徑分別為DN800,DN700,DN600,DN500,DN400的情況下,第四當量應力最大值如圖6所示。

圖6 DN1200-800焊制三通應力隨支管規格的變化Fig.6 DN1200-800 Abdominal stress of welded tee flow rate with the ration of the pipe-diameter

由圖6可知，主管管徑不變,支管壁厚均為8 mm時,隨著支管管徑的增大,三通最大應力值也在增大。當支管管徑從DN400變為DN800時,三通處最大應力值增長近65%,說明管徑比(支管管徑/主管管徑)越大,三通應力越大,直埋供熱管道分支三通的加強方案必須考慮管徑比的影響。

焊制三通是在主管開孔,焊接三通支管而成。隨著支管的管徑增大,主管開孔率(支管管徑/主管管徑)增大,主支管相貫區的應力集中系數變大[14],加劇了三通相貫區的應力集中,造成三通局部應力水平增大。在支管壁厚相同的情況下,支管管徑越大,三通處的應力相應越大。

主管管徑不變,隨著支管管徑增大,支管壁厚也增加。雖然大管徑支管仍比小管徑支管的三通應力大,但是由于壁厚的增加,應力值明顯減小。如支管從DN400,壁厚8 mm增大到DN800,壁厚10 mm時,三通最大應力值增長19%,遠小于65%。此結果也證明支管壁厚對三通強度有很大影響。可見直埋供熱管道分支三通的加強方案必須同時考慮管徑比和分支壁厚的影響。

2.4 分支彎頭曲率半徑對焊制三通應力的影響

對于主管管徑為DN1200,支管管徑為DN800,支管短管長度為500 mm,支管短管壁厚為10 mm的焊制三通,當支管彎頭曲率半徑分別取公稱直徑(DN)的1，1.5，2，3，6倍時,焊制三通第四當量應力最大值如圖7所示。

圖7 DN1200-800焊制三通應力隨支管彎頭曲率半徑的變化Fig.7 DN1200-800 Abdominal stress of welded tee flow rate with radius of curvature

由圖7可知，隨著支管彎頭曲率半徑的增大,焊制三通的最大應力值呈下降趨勢。曲率半徑從1倍DN增大至3倍DN時,三通應力呈線性減小,約16.9%。曲率半徑大于3倍DN時,下降趨勢有所減緩。曲率半徑從3倍DN增大至6倍DN時,三通應力減小了13.2%。

由于在1.1Le處設置了固定墩,支管受溫度載荷產生的熱伸長全部向彎頭轉移,使彎頭和豎向短管產生側向偏轉,進而影響三通應力水平。大曲率半徑支管管線展開長度長,與土壤接觸面積更多,管土作用更充分,受到的土壤反力及摩擦力作用更大[15],限制了支管軸向位移向三通側釋放,即相同熱膨脹力作用下,豎向短管承受的彎矩力更小,對三通的影響更小。

為了觀察在不同曲率半徑下,支管豎向短管的側向偏轉規律,取豎向短管外側為分析路徑。

圖8 DN1200-800不同彎頭曲率半徑下短管偏轉Fig.8 DN1200-800displacement of short pipe flow rate with radius of curvature of the branch pipe elbow

2.5 分支短管及彎頭加泡沫墊對焊制三通應力的影響

直埋供熱工程中常有在支管豎向短管及彎頭外側加泡沫墊以減小三通應力做法。本文對主管處于錨固端,支管1.1Le處加固定墩,支管豎向短管及彎頭處填加厚度為40 mm的泡沫墊和不加泡沫墊的敷設方式進行了數值模擬,結果如圖9、圖10所示。

圖9 DN1200-800支管加泡沫墊焊制三通應力隨短管長度的變化Fig.9 DN1200-800 Abdominal stress of welded tee flow rate with length of shot pipe spool with Foamy Cushion

圖10 DN1200-800支管加泡沫墊焊制三通應力隨彎頭曲率半徑的變化Fig.10 DN1200-800 Abdominal stress of welded tee flow rate with radius of curvature with Foamy Cushion

由圖9，圖10可知，不加泡沫墊和加40 mm厚泡沫墊時,隨著支管短管長度的增加,三通應力值均為先增大后減小;隨著支管彎頭曲率半徑的增加,三通應力值均減小。填加40 mm泡沫墊后的三通應力值均大于未填加泡沫墊時的應力值。究其原因,由于支管彎頭及短管施加泡沫墊,為短管和彎頭提供了彈性膨脹區域,為長度為1.1Le的支管的熱伸長向三通釋放創造了條件,加劇了熱伸長對三通的影響,造成三通應力值增大。可見,在支管豎向短管及彎頭填加泡沫墊會增加三通的應力。

3 結論

1) 直埋供熱管道常用材料為Q235B鋼,是理想的彈塑性材料,其力學性能(彈性模量、泊松比、線性膨脹系數)與模擬所用材料一致。在直埋供熱管道一次網運行條件下(循環溫差120 ℃,內壓2.5 MPa),基于線性分析的三通腹部應力遠大于材料的屈服極限,三通會進入屈服,甚至發生破壞。因此,對于大管徑直埋供熱一次網管道焊制三通必須采取措施減小三通應力。

2) 支管作為影響三通應力的重要因素,優先推薦增加支管壁厚來減小三通腹部應力,同時可以增大支管彎頭曲率半徑來降低三通腹部應力。

3) 對于管徑比(支管管徑/主管管徑)大的焊制三通,應綜合考慮管徑比與支管壁厚,選取合理支管壁厚,以減小三通腹部應力。

4) 三通腹部應力值在短管長度為200～300 mm時出現極大值,之后隨短管長度的增加而減小。工程中短管長度應盡量避免在200～300 mm內。

5) 對于主管處于錨固段的焊制三通,在支管豎向短管及彎頭處加泡沫墊并不能減小三通應力,反而三通應力值會有所增大。

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(編輯：賈麗紅)

Analysis on the Influence Factors of Directly Buried Heating Pipeline Welded Tee Branch Pipe on Tee Stress

CHEN Xi,WANG Fei,WANG Guowei,LEI Yonggang

(College of Environmental Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

In order to study the influence of directly buried heating pipeline welded tee branch pipe on tee stress, the thesis applies ANSYS to conduct numerical simulation analysis on large diameter welded tee with main pipe diameter at DN1200. The analysis results show: with the increase of the length of the short pipe of branch pipe, tee abdominal stress first increases and then decreases; it has the maximum value when short pipe is 200～300 mm; with the increase of the thickness of branch pipe wall, tee abdominal stress decreases;with the increase of the ration of the pipe-diameter(branch pipe diameter/main pipe diameter), tee abdominal stress increases; with the increase of radius of curvature of the branch pipe elbow,the tee abdominal stress decreases; when the main pipe is at anchorage section,adding foam cushion at the short pipe of branch pipe makes tee abdominal stress increase. In order to decrease tee abdominal stress, increasing the thickness of branch pipe wall should be in preference and the branch pipe elbow with large radius of curvature should be used. The research results have certain guiding significance to improve the security of welded tee.

buried heating;welded tee;branch pipe;numerical analysis;stress distribution

1007-9432(2016)05-0634-06

2016-02-23

住房和城鄉建設部科學技術計劃基金資助項目：城鎮集中供熱彈性彎曲直埋管道關鍵技術研究(2016-k4-079)

陳曦(1990-)，男，山西晉中人，碩士生，主要從事供熱技術與節能研究，(E-mail)chenxihvac@163.com

王飛，教授，主要研究方向為供熱技術與節能，(E-mail)wfwfsir@126.com

TU833.1

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.05.014