内压作用下等径三通的有限元分析

姜运建，李文彬，冯砚厅，赵纪峰，王　勇

(国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄　050021)



内压作用下等径三通的有限元分析

姜运建，李文彬，冯砚厅，赵纪峰，王勇

(国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄050021)

摘要：针对如何确定电厂热力管道三通检验部位问题，应用ABAQUS软件对大型厚壁等径三通在受内压作用下的应力进行计算和分析，得到三通模型的应力分布规律，通过介绍某电厂三通的开裂检测情况验证了三通有限元分析的正确性，提出对三通进行无损检测时，应重点对肩部的内表面和腹部外表面进行检测。

关键词：有限元分析；三通；应力分析；ABAQUS

管道三通是一种从主管接出支管的管件，为管系载荷的集中部位，不仅承受内压，还往往受到弯矩、扭矩、轴向力的作用。三通不仅是管道改向和物料分流的重要结构，而且是一种重要的柔性元件，能够有效地消除管系中因温差和安装尺寸偏差等原因造成的应力。与管道中直管段相比，三通属于大开孔结构，存在几何形状不连续因素，在相贯线的拐角处会形成极大的应力集中[1]。由于厚壁等径三通结构复杂，开孔直径大，主管和支管相贯造成结构不连续，使得其应力分布相当复杂，至今没有成熟的应力强度理论计算方法。对于在比较重要的场合应用的管道三通，大多数是依靠有限元计算和试验等手段，得到其应力应变分布。在实际的工程配管设计中，目前大直径的厚壁三通管还没有相应的设计、制造标准。以下利用ABAQUS软件[2]，采用C3D4单元划分网格，对一大型厚壁(φ356 mm ×55 mm)等径三通进行有限元分析[3]。

1有限元分析过程

1.1三通尺寸

有限元所分析的管道三通为厚壁等径正交三通，将模型简化为2个理想等直径中空圆柱体正交相贯，并且导出圆角。不考虑支管开孔的加强。为避免约束和外载引起的边缘效应，在主支管端分别增加一定长度的直管段，管道三通直管段壁厚为55 mm，其余尺寸见图1。

图1　三通尺寸(单位：mm)

1.2有限元模型

有限元模型是实际结构的数学表达模式，采用大型商用ABAQUS软件，利用实体建模方法，对整个三通建立有限元模型，单元类型为C3D4，共计38 964个单元[4]。主管和支管取同种材料，其弹性模量E=2．1×1011Pa、泊松比μ=0.3。

1.3载荷及约束

对受内压的三通，模型内表面上施加均布内压载大小为40 MPa，不考虑外部载荷。三通支管管上端面上约束其径向平面内的2个方向转动位移，支管上端面的轴向位移[5]。

2有限元分析结果

2.1有限元分析云图

采用通用静态分析。其分析结果的MIS应力云图见图2，其中的变形为放大637倍后的变形图。由图2可知，外壁肩部应力较小，腹部应力较大；内壁肩部及支管正对的主管底部应力较大；三通受内压时腹部向外膨胀，肩部向内收缩。

(a)　三通外壁MIS应力分布及变形

(b)　三通内壁MIS应力分布及变形

图2三通MIS应力分布及变形

2.2不同路径应力分布

进一步分析三通的承受内压后沿其外壁和内壁在相贯线处的应力变化，分别选取了三通外壁和内壁4条分析路径。路径1，沿三通外壁支管-肩部-主管；路径2，沿三通外壁支管-腹部-主管；路径3，沿三通内壁支管-肩部-主管；路径4，沿三通内壁支管-腹部-主管。

图3为沿路径1的MIS应力分布规律，在支管和主管上应力较为稳定约75 MPa,在肩部应力下降，在拐角处应力最低为40 MPa。图4为沿路径2的MIS应力分布规律，在支管和主管上应力较为稳定约75 MPa,在腹部应力上升，在腹部应力最高为140 MPa。图5为沿路径3的MIS应力分布规律，在支管和主管上应力较为稳定约110 MPa,在肩部应力上升，在肩部应力最高为200 MPa。

图3　支管-肩部-主管路径(外壁)应力分布

图4　支管-腹部-主管路径(外壁)应力分布

图5　支管-肩部-主管路径(内壁)应力分布

图6为沿路径4的MIS应力分布规律，在支管应力约110 MPa,在腹部应力下降，最小约75 MPa，经过腹部后主管上的应力开始上升，支管正对的主管底部应力最高为145 MPa。

图6　支管-腹部-主管路径(内壁)应力分布

通过对该三通模型的有限元分析，可知在内压载荷下三通肩部内表面MIS应力最大为200 MPa；三通肩部外表面MIS应力最大50 MPa；三通腹部内表面MIS应力最大为80 MPa；三通腹部外表面MIS应力最大为145 MPa。三通承受内压最危险部位为肩部内表面，同时腹部外表面应力较高。对三通进行无损检测时，应重点对三通肩部的内表面和三通腹部外表面进行检测。

3实例分析

某电厂锅炉主蒸汽管道的某一异径三通为锻造件，材质为SA-335P91，规格为：外径φ575.1 mm×φ575.1 mm×φ540.0 mm/内径φ419.1 mm×φ419.1 mm×φ392.0mm，设计压力27.6 MPa，设计温度576 ℃。运行约5×105h，发生开裂泄漏事故。经检查异径三通处存在两条贯穿裂纹，一条位于三通前侧的三通倒角半径处，为纵向裂纹，长度约60 mm，宽约2 mm，一条位于三通管直径为φ575 mm的接管下部，距离该接管下端的焊缝约15 mm，为环向裂纹，长度约60 mm，宽约2 mm，见图7。

三通倒角半径加工时应力未完全释放，安装焊缝焊接后热处理工艺可能存在欠缺，在管系温度变化时，存在较大的应力集中，最后形成三通环向裂纹，从前面的有限元分析可知，在三通的肩部内壁应力最大，该三通在管系中属于相对薄弱的部位，开裂时从三通肩部内壁向外贯穿开裂，与有限元计算结果相符。对三通进行无损检测时，应重点对三通肩部的内表面和腹部外表面进行检测。

(a)　三通外壁裂纹

(b)　三通内壁纵向裂纹

4结论

应用ABAQUS软件对三通在受内压作用下的应力进行了计算和分析，得到了三通模型的应力分布规律，得到如下结论。

a. 管道三通受内压时腹部向外膨胀，肩部向内收缩。

b. 管道三通外壁应力情况为，外壁肩部应力较小；腹部应力较大。内壁应力情况为，内壁肩部应力较大；腹部应力较小。

c. 某电厂三通的开裂情况验证了三通有限元分析的正确性，今后对三通进行无损检测时，应重点对三通肩部的内表面和腹部外表面进行检测。

参考文献：

[1]陈建平.压力管道三通结构破坏机理分析[J]. 机电技术，2006(6)：47-48.

[2]刘展.ABAQUS6.6基础教程与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[3]曹海兵,江楠.大型厚壁等径焊接三通应力的有限元分析[J].化工机械,2008,35(4):216-219.

[4]张清懿.锅炉管道三通的建模分析及评价[J]. 化工机械, 2011,38(1):94-96,103.

[5]轩福贞,李培宁,涂善东.复杂载荷下管道三通的塑性极限载荷[J].机械强度，2003，25(6)：646-650.

本文责任编辑：靳书海

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

作者简介：姜运建(1963-)，男，高级工程师，主要从事电站高温设备及压力容器寿命评价技术研究与管理工作。

中图分类号：TV311

文献标志码：B

文章编号：1001-9898(2016)03-0001-03