直埋供热焊制三通支管对三通应力影响因素分析

陈 曦,王 飞,王国伟,雷勇刚

(太原理工大学 环境科学与工程学院,太原 030024)



直埋供热焊制三通支管对三通应力影响因素分析

陈 曦,王 飞,王国伟,雷勇刚

(太原理工大学 环境科学与工程学院,太原 030024)

为了研究直埋供热管道焊制三通支管对三通应力的影响,应用ANSYS有限元软件,对主管管径为DN1200的大管径焊制三通进行线性数值模拟分析。分析结果表明:随着支管短管长度增加,三通腹部应力先增大后减小,短管为200～300 m时有极大值;随着支管壁厚的增大,三通腹部应力减小;随管径比(支管管径/主管管径)增大,三通腹部应力增大;随着支管弯头曲率半径的增大,三通腹部应力值减小;当主管处于锚固段,支管短管及弯头处加泡沫垫会使三通腹部应力增大；降低三通腹部应力值，优先采用加大支管壁厚,支管弯头宜使用大曲率半径弯头。研究结果对提高焊制三通的安全性具有一定指导意义。

供热直埋;焊制三通;支管;数值分析;应力分布

能源危机日益严重的今天,节能减排的重要性越来越大。近年来,建筑能耗在社会总能耗中所占的比例已经接近33%[1]。集中供热作为提高能源利用率、降低建筑能耗的供热方式在近几年得到了飞跃的发展。不断扩大的供热规模和不断增大的供热管径对热网的安全运行提出了更高的要求。焊制三通作为供热管网的薄弱环节,研究其应力影响因素,降低三通应力水平、提高供热的安全性具有极其重要的意义。

国内外关于焊制三通的应力分析有许多研究。ERINGEN[2]、钱令希[3]、LEKERKERKER[4]、STEELE[5]等先后从Donnell扁壳方程出发,得出圆柱壳开孔接管在内压作用下的分析解,但结果仅适用于部分范围内的小开孔接管;杜青海和薛明德从圆柱壳Morley方程出发,改善了解的精度,增大了解的适用范围[6];JUNKE根据ELYIN实验建立同尺寸有限元模型,得到结果与实验值相差不大,验证了有限元分析的科学性[7];刘学等对三通受压力载荷进行了有限元模拟,结果表明,受内压荷载的三通最大应力值点出现在肩部[8]。以上均为仅有内压作用的管道焊制三通应力分析。直埋供热管道焊制三通与只承受管道内压力的工艺管道焊制三通相比,受温度和内压的耦合作用,其中循环温差产生的轴向二次应力是影响其应力水平的主要因素,而内压产生的环向应力为次要因素。目前,对于受温度和内压耦合作用的供热管道焊接三通的应力影响因素的研究相对较少,文献[9]指出对于承受高轴向力的供热管道,三通最大应力值出现在腹部;王强[10]采用有限元方法对供热直埋管道焊制三通进行模拟分析,提出支管轴向二次应力对三通应力有显著影响。然而文献[10]通过在三通支管端面施加力和力矩模拟支管轴向二次应力对三通的影响,无法完全符合实际中复杂的工况,不能深入探究支管对于三通应力的影响。因此建立与实际工况相符的全尺寸的有限元模型,系统的分析支管对焊制三通应力的影响具有重大意义。

三通支管对于三通腹部的应力影响首先是支管的结构尺寸,如管径、壁厚、支管短管长度、短管和支管连接弯头的曲率半径,其结构如图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装方式也就是目前工程实际争论的焦点,三通支管及其连接弯头泡沫垫见图2所示。文献[11]通过有限元模拟得出了支管引出方式对三通应力水平的影响。本文结合供热直埋管道分支的布置需要,重点研究三通分支管径、分支短管长度、短管壁厚(假定短管壁厚等于支管壁厚)、分支弯头曲率半径及分支短管、弯头处加泡沫垫等对三通应力的影响。

图1 直埋供热管道焊制三通全尺寸结构模型Fig.1 Directly buried heating pipe welded tee full size model

图2 直埋供热管道加泡沫垫断面图Fig.2 Directly buried heating pipe foam pad profile

1 有限元模型及计算参数

1.1 模型的建立

供热直埋管道焊制三通为不规则几何异形体。为简化问题,突出主要因素,将三通复杂几何结构和实际材料进行以下假设。

1) 焊制三通为两个理想圆筒体正交相贯,即不考虑主支管的加工误差和椭圆度;

2) 不考虑焊制三通相贯线处焊缝对三通的加强影响;

3) 三通主支管由相同材料制成,具有相同的材料强度。

4) 假设管道材料为理想弹性体,其力学性能为:弹性模量E=19.6×104MPa;泊松比γ=0.3;线性膨胀系数α=12.6×10-6mm.

以ASME B16.9-2012[12]规定的三通尺寸作为参考依据,建立三通模型。根据圣维南原理,为消除由约束导致的边缘效应对计算结果的影响,主管段在三通尺寸的基础上,两端增加3DN长度的直管段[13]。支管段长度取1.1Le(Le值是指用弹性抗弯铰解析法对L型弯管进行计算时的最小臂长),在1.1Le处设固定墩(这是直埋供热管道最基本的布置形式)。建立供热直埋管道焊制三通的全尺寸模型如图1所示。管道型号及相关尺寸参数见表1。

表1 管道型号及相关尺寸参数表

1.2 网格划分、施加约束及载荷

模型采用三维8节点实体单元SOLID185。采用COMBIN14单元来模拟土壤及泡沫垫对管道的作用反力。由于三通几何结构复杂,采用自由网格对模型进行网格划分,并进行网格独立性检验以保证在不影响计算结果的前提下提高计算效率。

直埋供热管道焊制三通有限元模型中,施加的荷载主要包括温度荷载、压力荷载、位移荷载及土壤荷载。土壤荷载体现在土壤与管道的耦合作用上,通过调整弹簧的弹性系数来模拟土壤及泡沫垫对管道的反作用力。设计供水温度为130 ℃,安装温度为10 ℃,循环温差为120 ℃,设计压力为2.5 MPa。对主管及支管的端部施加轴向位移约束,对整个模型施加120 ℃温度载荷,对三通模型所有内表面施加2.5 MPa的压力载荷。

2 模拟结果及分析

供热直埋管道焊制三通最大应力值出现在三通腹部(下面分析三通腹部应力简称为三通应力)。由于三通内外表面各点均处于复杂应力状态,为了确保模拟分析具有足够高的精度,在取得各个节点的三个主应力后,选用vonMises当量应力,即第四当量应力来分析焊制三通应力水平。

2.1 支管短管长度对焊制三通应力的影响

图3 DN1200-800焊制三通腹部应力随支管短管长度的变化Fig.3 DN1200-800 Abdominal stress of welded tee flow rate with length of shot pipe spool

对于主管管径为DN1200,支管管径为DN800,支管壁厚为10 mm,支管弯头曲率半径为1DN(813 mm)的焊制三通,在支管短管长度分别为100，200，300，500，700，900，1 500 mm,支管短管壁厚等于支管壁厚的条件下,第四当量应力最大值如图3所示。由图3可知，随着支管短管长度的增加,焊制三通腹部应力先增大后减小,在支管短管长度为200 mm时具有峰值。

结合管道材料和三通受力情况综合分析,支管在温度荷载的作用下产生轴向应力,支管末端按加固定墩考虑,则支管的热伸长全部向三通侧释放,通过短管作用于焊制三通,对三通产生弯矩。支管热应力对三通作用简图见图4所示。其中，A点为短管上端,连接弯头；B点为短管下端,连接主管；F为热膨胀力；L为短管长度。如图4(a)。

图4 支管对焊制三通作用受力简图Fig.4 Tee branch pipe butt welding system function diagram

对于DN800的管道,当支管短管长度小于200 mm时,短管形变和内部各点相对位置变化微小,刚度大。热膨胀力F不变的情况下,力臂L长度与B点的弯矩呈正比。因此,当短管长度小于200 mm时,短管长度越长,三通应力值越大。当支管短管长度大于200 mm时,在力的作用下,短管本身的形变和内部各点的相对位置变化已经不能忽略,此时短管视为变形体,在支管热膨力的作用下发生弹性形变如图4(b)。支管的轴向热膨力部分转化为短管的形变,减弱了对三通的影响,使三通应力减小。且支管热应力不变的前提下,短管长度越长,可变形长度越长,通过形变吸收的支管轴向热应力越大,三通应力越小。

2.2 支管短管壁厚对焊制三通应力的影响

对于主管管径为DN1200,支管管径为DN800,短管长度为500 mm,支管弯头曲率半径为1DN(813 mm)的焊制三通,在短管壁厚分别为8，9，10，12，14 mm的情况下,第四当量应力最大值如图5所示。

图5 DN1200-800焊制三通应力随支管短管壁厚的变化Fig.5 DN1200-800 Abdominal stress of welded tee flow rate with the thickness of branch pipe wall

由图5可知:

当短管壁厚增大时,三通处最大应力值有明显的下降。尤其当短管壁厚由8 mm增加到9 mm时,三通处最大应力值下降了近19.6%。而当短管壁厚增加至14 mm时,三通处的最大应力值更是比支管短管壁厚8 mm时下降了33.1%。

焊制三通是在主管开孔,将支管、主管焊接而成。而主管开孔后,由于管壁削弱且结构的连续性遭到了破坏,主管和支管的接管相贯处构成了不连续结构,引起了很多附加的不连续应力,主支管相贯区会产生严重的应力集中[14]。反映应力集中程度的参数为应力集中系数,见式(1)。

(1)

式中：a为应力集中系数;σ为名义应力(平均应力);σmax为峰值应力(最大应力)。

同时,试验表明截面尺寸变化愈剧烈,应力集中系数愈大。主管开孔处在内压和主管轴向热应力的作用下,发生形变,加剧了应力集中程度。当短管壁厚增加,短管、主管连接的相贯区强度增强,所受载荷不变情况下,减弱了开孔处的变形程度,降低了应力集中系数。结合公式(1)可知,短管壁厚的增加使三通相贯区应力集中系数减小,标示着三通处的峰值应力减小。可见,增加短管壁厚可降低三通应力水平,可作为一种行之有效的三通补强措施。

2.3 支管管径对焊制三通应力的影响

对于主管管径为DN1200,短管长度为500 mm,支管壁厚分别为8 mm和表1所示厚度,支管弯头曲率半径为1DN的焊制三通,在支管管径分别为DN800,DN700,DN600,DN500,DN400的情况下,第四当量应力最大值如图6所示。

图6 DN1200-800焊制三通应力随支管规格的变化Fig.6 DN1200-800 Abdominal stress of welded tee flow rate with the ration of the pipe-diameter

由图6可知，主管管径不变,支管壁厚均为8 mm时,随着支管管径的增大,三通最大应力值也在增大。当支管管径从DN400变为DN800时,三通处最大应力值增长近65%,说明管径比(支管管径/主管管径)越大,三通应力越大,直埋供热管道分支三通的加强方案必须考虑管径比的影响。

焊制三通是在主管开孔,焊接三通支管而成。随着支管的管径增大,主管开孔率(支管管径/主管管径)增大,主支管相贯区的应力集中系数变大[14],加剧了三通相贯区的应力集中,造成三通局部应力水平增大。在支管壁厚相同的情况下,支管管径越大,三通处的应力相应越大。

主管管径不变,随着支管管径增大,支管壁厚也增加。虽然大管径支管仍比小管径支管的三通应力大,但是由于壁厚的增加,应力值明显减小。如支管从DN400,壁厚8 mm增大到DN800,壁厚10 mm时,三通最大应力值增长19%,远小于65%。此结果也证明支管壁厚对三通强度有很大影响。可见直埋供热管道分支三通的加强方案必须同时考虑管径比和分支壁厚的影响。

2.4 分支弯头曲率半径对焊制三通应力的影响

对于主管管径为DN1200,支管管径为DN800,支管短管长度为500 mm,支管短管壁厚为10 mm的焊制三通,当支管弯头曲率半径分别取公称直径(DN)的1，1.5，2，3，6倍时,焊制三通第四当量应力最大值如图7所示。

图7 DN1200-800焊制三通应力随支管弯头曲率半径的变化Fig.7 DN1200-800 Abdominal stress of welded tee flow rate with radius of curvature

由图7可知，随着支管弯头曲率半径的增大,焊制三通的最大应力值呈下降趋势。曲率半径从1倍DN增大至3倍DN时,三通应力呈线性减小,约16.9%。曲率半径大于3倍DN时,下降趋势有所减缓。曲率半径从3倍DN增大至6倍DN时,三通应力减小了13.2%。

由于在1.1Le处设置了固定墩,支管受温度载荷产生的热伸长全部向弯头转移,使弯头和竖向短管产生侧向偏转,进而影响三通应力水平。大曲率半径支管管线展开长度长,与土壤接触面积更多,管土作用更充分,受到的土壤反力及摩擦力作用更大[15],限制了支管轴向位移向三通侧释放,即相同热膨胀力作用下,竖向短管承受的弯矩力更小,对三通的影响更小。

为了观察在不同曲率半径下,支管竖向短管的侧向偏转规律,取竖向短管外侧为分析路径。

图8 DN1200-800不同弯头曲率半径下短管偏转Fig.8 DN1200-800displacement of short pipe flow rate with radius of curvature of the branch pipe elbow

2.5 分支短管及弯头加泡沫垫对焊制三通应力的影响

直埋供热工程中常有在支管竖向短管及弯头外侧加泡沫垫以减小三通应力做法。本文对主管处于锚固端,支管1.1Le处加固定墩,支管竖向短管及弯头处填加厚度为40 mm的泡沫垫和不加泡沫垫的敷设方式进行了数值模拟,结果如图9、图10所示。

图9 DN1200-800支管加泡沫垫焊制三通应力随短管长度的变化Fig.9 DN1200-800 Abdominal stress of welded tee flow rate with length of shot pipe spool with Foamy Cushion

图10 DN1200-800支管加泡沫垫焊制三通应力随弯头曲率半径的变化Fig.10 DN1200-800 Abdominal stress of welded tee flow rate with radius of curvature with Foamy Cushion

由图9，图10可知，不加泡沫垫和加40 mm厚泡沫垫时,随着支管短管长度的增加,三通应力值均为先增大后减小;随着支管弯头曲率半径的增加,三通应力值均减小。填加40 mm泡沫垫后的三通应力值均大于未填加泡沫垫时的应力值。究其原因,由于支管弯头及短管施加泡沫垫,为短管和弯头提供了弹性膨胀区域,为长度为1.1Le的支管的热伸长向三通释放创造了条件,加剧了热伸长对三通的影响,造成三通应力值增大。可见,在支管竖向短管及弯头填加泡沫垫会增加三通的应力。

3 结论

1) 直埋供热管道常用材料为Q235B钢,是理想的弹塑性材料,其力学性能(弹性模量、泊松比、线性膨胀系数)与模拟所用材料一致。在直埋供热管道一次网运行条件下(循环温差120 ℃,内压2.5 MPa),基于线性分析的三通腹部应力远大于材料的屈服极限,三通会进入屈服,甚至发生破坏。因此,对于大管径直埋供热一次网管道焊制三通必须采取措施减小三通应力。

2) 支管作为影响三通应力的重要因素,优先推荐增加支管壁厚来减小三通腹部应力,同时可以增大支管弯头曲率半径来降低三通腹部应力。

3) 对于管径比(支管管径/主管管径)大的焊制三通,应综合考虑管径比与支管壁厚,选取合理支管壁厚,以减小三通腹部应力。

4) 三通腹部应力值在短管长度为200～300 mm时出现极大值,之后随短管长度的增加而减小。工程中短管长度应尽量避免在200～300 mm内。

5) 对于主管处于锚固段的焊制三通,在支管竖向短管及弯头处加泡沫垫并不能减小三通应力,反而三通应力值会有所增大。

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(编辑：贾丽红)

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

住房和城乡建设部科学技术计划基金资助项目：城镇集中供热弹性弯曲直埋管道关键技术研究(2016-k4-079)

陈曦(1990-)，男，山西晋中人，硕士生，主要从事供热技术与节能研究，(E-mail)chenxihvac@163.com

王飞，教授，主要研究方向为供热技术与节能，(E-mail)wfwfsir@126.com

TU833.1

A

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