鋼制冷擠壓斜三通的失效壓力分析

林 波，薛 勇，張 軍，侯 淬

1.中國石油天然氣管道科學研究院有限公司，河北廊坊 065000

2.中國石油管道局工程有限公司第四工程分公司，河北廊坊 065000

3.中國石油工程建設有限公司西南分公司，四川成都 610000

4.中國石油管道局工程有限公司第三工程分公司，河南鄭州 451450

三通管件廣泛應用于石油化工、石油天然氣、液化氣、化肥、電廠、核電、造船、造紙、制藥、食品衛生、城建等行業工程的建設和檢修，其主要用于改變流體方向，通常安裝在主管道與分支管處。由于斜三通為非標準件，沒有現成的設計計算公式。本文采用爆破試驗法進行試驗并結合有限元法對冷擠壓斜三通產品進行失效應力分析，為行業生產提供理論計算依據及思路[1-11]。

1 冷擠壓斜三通工藝及優點

1.1 工藝簡介

按斜三通管件圖紙設計、制造胎具，將胎具固定在油壓機的上下平臺，將鋼管放入胎具內而后向管內注滿水，再開動油壓機使上下胎具合模并對鋼管兩端進行擠壓，在油壓機兩端軸向力和管內高壓水力的共同作用下，鋼管在胎具內向支管處逐漸鼓起，直到設計的尺度。成型后將斜三通管件從胎具內取出，割掉支管的管帽，然后按鋼管的材質進行熱處理，最后按圖紙對斜三通管件進行機加工即可得到鋼制無縫斜三通管件。

1.2 優點

冷擠壓斜三通相比焊接斜三通，主管與支管相貫處無明顯的相貫線，因此應力集中效應小。無需現場預制，方便使用。冷加工后一般只需要進行去應力熱處理就能滿足材料性能要求。

2 水壓爆破試驗

2.1 壁厚測量

本文分析的斜三通如圖1所示，選取10個代表性測點進行壁厚測量，如圖2所示，測量結果如表1所示。

圖1 冷擠壓斜三通示意

圖2 測厚點布置示意

表1 冷擠壓斜三通壁厚測量值

2.2 試驗過程及結果

斜三通整體屈服前的升壓級別為0.5 MPa，升壓速率不超過0.1 MPa/s。每個升壓級別觀察60 s，至讀數穩定后再繼續升壓。最終得到如圖3所示的爆破試驗壓力-升壓時間曲線。

圖3 爆破試驗壓力-升壓時間曲線

從圖3看出，當升壓至3 MPa時發生了第一次局部屈服，經過變形協調，到6 MPa時發生了第二次局部屈服，至8 MPa時整體屈服過程完成，開始材料硬化階段，最后至38 MPa時爆裂。

3 有限元計算

對于該非單一圓筒結構斜三通的設計壓力取值，采用有限元方法進一步分析確定。

3.1 計算參數

45°冷擠壓等徑斜三通的材質為20鋼，規格為D325mm×14 mm（綜合考慮測厚點的受力區域，選取計算壁厚為14 mm），小圓角半徑80 mm。設計溫度20℃，設計壓力P=4.0 MPa。彈性模量E=2.01×105MPa，泊松比v=0.3，設計應力強度Sm=158 MPa。

3.2 建模及邊界條件

按實體形狀及參數建模，由于模型為對稱結構，所以簡化為1/2模型。選用3維8節點固體結構單元進行網格劃分，沿厚度方向劃分為3層，見圖4。

圖4 有限元模型及網格劃分

按試壓工況進行計算，在對稱面上施加對稱約束，施加一個4.0 MPa的內壓載荷。

3.3 有限元計算結果

采用彈性應力分析方法進行分析，強度計算結果見圖5，從圖5看出，斜三通的最大Von Mises（VM）應力發生在中間紅色區域。

圖5 有限元應力強度計算結果/MPa

3.4 應力分類評定結果

依照JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》對斜三通進行應力分類評定。確定兩個準危險截面，即最大VM應力點處及小圓角處，截面及路徑見圖6～圖9。

圖6 切割的最大VM應力點處危險界面/MPa

圖7 最大VM應力點處路徑1（壁厚方向）

圖8 小圓角處危險界面切割/MPa

圖9 小圓角處路徑2（半徑及壁厚方向）

該斜三通符合JB 4732第3.10.1條、第3.10.2.1款及第3.10.2.2款疲勞分析的免除，路徑1為總體結構不連續處，應力分析組成為Pm、Pm+Pb+Q[3]。路徑2小圓角處為局部結構不連續處，應力分析組成為PL、PL+Pb+Q。評定結果見表2。

表2 各路經應力分類結果

4 結論

借助有限元分析，應力分類法二次應力局部性和自限性很好地詮釋了爆破試驗曲線局部屈服壓力變化。即當一次升壓至第一次局部屈服壓力3 MPa時，不會使結構失效。采用彈性應力分析法確定本斜三通的設計壓力為4.0 MPa，即失效壓力發生在爆破試驗過程中一次局部屈服壓力和二次局部屈服壓力之間。