異種鋼焊接斜三通的應力分析

聶 磊，王 磊

(1.上海華誼工程有限公司，上海 200241；2.中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

異種鋼焊接斜三通的應力分析

聶 磊1，王 磊2

(1.上海華誼工程有限公司，上海 200241；2.中國五環工程有限公司，湖北 武漢 430223)

應用Ansys Workbench對異種鋼焊接斜三通進行了有限元計算，得到了比ASME B31.3—2014規范更為精確的應力增大系數，從而改進CARSAR II的計算結果，同時對比了同材質鋼焊接斜三通的應力增大系數，結果表明：異種鋼焊接相比同種鋼焊接對應力增大系數的影響程度更大，為管道應力計算提供了一些參考。

斜三通；有限元分析；應力增大系數

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.008

火炬是石油化工生產中的重要安全措施，火炬氣的來源復雜，通常是生產裝置排出的甲烷、己烷、乙烯、丙烯、氫氣等可燃氣體，往往壓力不高。氣體支管一般從火炬氣體主管頂部引出，而為了減少阻力降，支管通常和主管成45°的夾角，形成45°斜三通。為了準確地對火炬氣管道進行應力分析，就要分析斜三通的應力增大系數，最終判別三通是否需要補強，或者三通是否發生應力破壞。

應力增大系數[1]是指在疲勞破壞循環次數相同的情況下，作用于直管的彎曲應力與作用于管件的名義彎曲應力之比。在管道應力計算軟件CAESARII中，應力增大系數是根據ASME B31.3標準[2]中第319.4.4條所示計算公式計算，其依據是A.R.C.Markl在20世紀40年代到50年代期間的一些實驗數據，但即使是Markl的實驗也不全面，在對斜三通，尤其是異種鋼焊接斜三通，并沒有現成的實驗資料。CAESARII軟件計算工業管道，選用的是梁單元模型，并不區分計算的應力是在管道的什么部位，只計算中心線上的應力，所以當管系中有斜三通或者異種鋼焊接斜三通的時候就會出現應力計算偏差，導致計算結果的不準確。CAESARII軟件考慮到了自身的局限性，工程設計人員可以指定三通的應力增大系數，得到更真實、準確的結果。

1 有限元軟件的選擇及模型簡化

有限元軟件眾多，常用的有ANSYS、ABAQUS、NASTRAN等，但ANSYS是目前運用得最廣泛且在多次FEA評比中都名列第一，同時安世亞太公司推出的ANSYS WORKBENCH版本簡化了建模的方式，提高了工作效率，所以本文采用ANSYS WORKBENCH作為計算程序。

三通元件一般在管系中可以自由膨脹，可忽略溫度的影響，模型簡化為內壓加上6個彎矩，見圖1。

圖1 簡化模型

固定端距離支管的長度也會產生影響，距離過短會影響根部的應力分布，為避免邊緣效應，主管和支管的長度要大于相應直徑的2倍[3]，本文取3.5Do，支管長度取3.7do。

2 模型參數

此模型分析來源于一個外管改造項目，外管介質為火炬氣，現業主需要從老的火炬氣主管上抽頭一個分支，供給新的裝置，分支管道采用開孔直接焊的方式與主管連接，夾角為45°。管道參數見表1。

表1 管道參數

為了與同種鋼焊接斜三通進行對比，新增兩種情況：主管和支管同為20鋼和同為00Cr19Ni10,其余參數不變。

ANSYS材料庫里沒有對應的國標材料，我們需要新增材料參數，材料力學性能見表2。

表2 材料力學性能

要做有限元分析首先要確定分析模型的單元類型，ANSYS單元類型眾多，本文采用SOLID186單元，從ANSYS的幫助文件可以看出，SOLID186單元是一個高階3維20節點固體結構單元，單元通過20個節點來定義，每個節點有3個沿著XYZ方向平移的自由度，可以用來模擬幾乎不可壓縮的彈塑性材料和完全不可壓縮的超彈性材料，SOLID186單元具有二次位移模式，可以更好地模擬不規則的網。將模型劃分為主管和分支管2個部分，分支管形狀規則，采用掃掠方式進行網格劃分，而主管由于開孔焊接形狀不規則，采用六面體網絡劃分。模型厚度方向劃分為2層，對主管和分支管接觸部分網格加密。網格劃分見圖2。

圖2 網格劃分

3 分析方法及邊界條件

對于管道應力工程師而言，關心的是管道的一次應力和二次應力，根據ASME B31.3-2014的解釋，計算一次應力可不考慮應力增大系數。但計算二次應力要采用應力增大系數，目的是考慮局部應力的影響。應力增大系數分為平面內應力增大系數和平面外應力增大系數。對于此斜三通管件，管件軸線構成的平面即為平面內，與此平面垂直的面即為平面外。

ANSYS WORKBENCH并不會直接計算出應力增大系數，根據定義，可以由下面公式(1)計算：

(1)

其中，SIF(in)為平面內應力增大系數；SIF(out)為平面外應力增大系數；σimax為平面內最大VonMises應力，MPa(g)；σomax為平面外最大VonMises應力，MPa(g)；σm為名義彎曲應力，MPa(g)。

名義彎曲應力為在彎矩M的作用下與支管截面相同的直管中的最大彎曲應力，可由下面公式(2)、(3)計算

(2)

(3)

其中，Wz為抗彎截面系數，mm3；do為管道外徑，mm；di為管道內徑，mm；M為彎矩，N·mm。

對主管的一端固定，即限制平動和轉動，主管另一端和焊接支管自由，對支管端部分別施加平面內彎矩和平面外彎矩，由ANSYS WORKBENCH求出平面內和平面外最大VonMises應力，帶入公式求得應力增大系數。

4 計算結果與分析

異種鋼焊接斜三通的平面內外最大VonMises應力見圖3和圖4；20鋼焊接鋼斜三通見圖5和圖6；00Cr19Ni10焊接鋼斜三通見圖7和圖8。

圖3 異種鋼焊接斜三通平面內最大VonMises應力

圖4 異種鋼焊接斜三通平面外最大VonMises應力

圖5 20鋼焊接斜三通平面內最大VonMises應力

圖6 20鋼焊接斜三通平面外最大VonMises應力

圖7 00Cr19Ni10鋼焊接斜三通平面內最大VonMises應力

圖8 00Cr19Ni10鋼焊接斜三通平面外最大VonMises應力

根據表1和表2的管道參數，利用ANSYS WORKBENCH計算出結果，帶入公式可以得到平面內和平面外的應力增大系數，見表3。

表3 應力增大系數

從上表看出，如果以20鋼斜三通的平面內外應力增大系數為基準，則00Cr19Ni10鋼的平面內應力增大系數變化了0.144%，平面外變化了0.151%；異種鋼焊接平面內應力增大系數變化了1.05%，平面外變化了2.42%。由此可以看出異種鋼焊接材質的變化對應力增大系數的影響，要遠遠大于同種鋼焊接材質變化的影響。

將計算出的異種鋼應力增大系數帶入圖9中CAESARII輸入表單的方框部分，運行后得到二次應力結果，將結果與CAESARII默認應力增大系數的運行結果對比，見表4。

圖9 CAESARII 運行表單

項目二次應力/MPa(g)應力百分比/%ANSYSWORKBENCH計算157.87556.9CAESARII計算125.73846.3

從表4看出，對本文管道參數而言，CAESARII計算的應力結果偏低，當CAESARII計算結果的二次應力百分比較高時，會造成管系安全的假象，實際有可能已經破壞，有限元計算的結果會更精確，可判斷出何時對開孔進行補強，避免三通發生破壞，影響管道安全運行。

5 結語

本文介紹了焊接斜三通的有限元計算方法，指出了CAESARII軟件的不足，同時對比了異種鋼焊接斜三通和同種鋼焊接斜三通的應力增大系數，對比了ANSYS WORKBENCH和CAESARII軟件二次應力計算結果，得出以下結論。

(1)對于焊接斜三通，CAESARII的計算結果不準確，需要進行有限元計算改進計算結果。

(2)對于本文示例，有限元計算結果的應力百分比大于CAESARII計算結果18.6%，CAESARII計算結果偏于不安全。

(3)在材料種類一定的情況下，異種鋼焊接斜三通應力增大系數要小于同種鋼焊接斜三通應力增大系數，要對其更為重視。

[1] 唐永進.壓力管道應力分析(第二版)[M].北京:中國石化出版社,2010.

[2] AMSE B31.3-2014，工藝管道[S].

[3] 唐永進.特殊形狀三通管道的應力分析[J].石油化工設備技術，2005,26(6):1-3.

Stress Analysis for Dissimilar Steel Lateral

Nie Lei1, Wang Lei2

(1ShanghaiHuayiEngineeringCo.,Ltd.,Shanghai200241China; (2WuhuanEngineeringCo.,Ltd.,WuhanHubei430223China)

Based on finite element analysis, the dissimilar steel lateral is calculated by Ansys Workbench.With the more accurate stress intensification factor than the ASME B31.3-2014 specification, the calculating result of CAESARII has been improved.Meanwhile, the stress intensification factors of the same steel laterals are compared.The results show that the dissimilar steel lateral has greater influence on the stress intensification factor than the same steel lateral, providing a reference for pipe stress calculation.

steel lateral; finite element analysis; stress intensification factor

聶磊(1983年-)，河北石家莊人，2009年畢業于華東理工大學固體力學專業，碩士，工程師，現主要從事化工工程管道應力分析工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2016.06.008

TG 457.6

A

1004-8901(2016)06-0033-04

2016-07-05