CAESARⅡ中三通的分析和应用

(武汉江汉化工设计有限公司，湖北 武汉 430223)

三通是化工设计及工程项目中较常见的管件，用于将主管流体分配成两个支管流体或混合两个支管流体的场合。三通形式多种多样，有承插焊三通、对接焊三通、法兰三通和螺纹三通，在目前的应力分析中，对于三通，通常采取简单模拟的方式，通过选择三通的正确形式，由软件自动计算SIF和k值，这样的分析方法对于大多数管道系统来说，是最常用的做法，但对于一些比较苛刻的场合，为满足应力要求，往往会增加一些不必要的修改来满足柔性要求。为此，采取更加合理的三通计算方法，无疑会起到事半功倍的效果。

1 三通分类与在CAESARⅡ中的模拟

1.1 三通分类

三通从形式上主要分为等径三通和异径三通，支管尺寸与主管相同的则为等径三通，支管尺寸小于主管的则为异径三通。国标三通按照GB/T 12459、GB/T 14383、GB/T 13401或SH/T 3408来设计制造，美标三通按照ASME B16.9或ASME B16.11来设计制造。根据其端部连接形式，还可分为承插焊三通、对接焊三通、法兰三通和螺纹三通，其中，端部带法兰的三通对应力计算有一定影响，不同于非法兰三通。

1.2 CAESARⅡ中三通的模拟

在CAESARⅡ中，提供了多种三通形式以供选择应用，在大口径管线中常用对接焊三通，当正确定义后，CAESARⅡ会自动根据ASME B31.3中附录D提供的公式计算SIF和k值，CAESARⅡ中的三通定义见图1。

图1 CAESARⅡ中三通定义

图1很形象地把几种常见的三通区别开来。当选用软件库中定义的三通形式时，软件会自动根据相应规则计算SIF值和k值，数据表中不显示数值，但可以在菜单栏里的三通项目查询具体数值。当不采用软件默认的计算规则时，也可按照其他对应规则计算，然后把所得数值填入数据栏里，软件会按照重新定义的数值进行计算。

2 三通的应力分析探讨

对于非标准三通，如Y形三通、非居中开口三通、四通等，ASME B31.3的附录D中并没有提供详细的计算公式和方法，目前，只能选用标准三通或类似贴近非标三通的标准三通让软件自动计算，否则，就只能运用有限元分析方法来计算出需要的数值，重新定义。

2.1 三通的柔性对管道应力的影响

CAESARⅡ软件是按照ASME B31.3中附录D提供的方法来计算三通参数的，此规范不考虑三通的柔性，但实际上，三通管件具有一定柔性，并不是完全刚性的，对于一些特殊的场合，考虑三通处的柔性将会大大降低二次应力，极大增加管道系统的柔性，下面以实际工程来具体分析。

实例：蒸汽管线，管道规格φ219×6.0mm，管道材质20(GB/T 8163—2008)，腐蚀裕量1.5mm，设计/操作温度为170℃/150℃，设计/操作压力为1.2MPa/1.0MPa。

通过CAESARⅡ建模(见图2)分析上述管道系统，端部边界条件均定为固定。

图2 CAESARⅡ建模

三通处的节点号分别为20、30、60。首先，按照常规应力计算方法，三通根据软件默认的ASME B31.3中附录D计算应力增大系数SIF和柔性系数k，其计算后20号节点处的应力结果为二次应力不通过，操作/设计工况下二次应力分别为107.5%和125.6%，管道柔性不足。

此时，通常通过改变管道走向或增加膨胀节等方法，来满足二次应力和管口受力的要求，由于布置空间的限制，难以通过增加弯头、改变管道布置来实现，如果增加膨胀节，一方面会增大成本，另一方面，膨胀节为薄弱环节，所以这两种方法均不能达到最佳效果。

2.2 考虑三通处柔性的应力分析

当上述两种方法都受限时，需要考虑三通处的柔性。任何计算都要有理论规范作支撑，首先，看一下ASME B31.3对应力增大系数和柔性系数的规定。即按照附录D来进行计算，附录D是把三通当作刚性件，不考虑其柔性，然而，在本条319.3.6规定中有一条，即还可以按照ASME B31J来执行，B31J的计算规则是考虑了三通处柔性的，此时，需要借助有限元分析工具FEATOOLS，将原来的CⅡ模型按照B31J进行转换，把原CⅡ模型中的三通简单建模转化为通过在三通点定义的Node-Cnode，定义各方向柔性，转化后模型见图3。

图3 转化后模型

转化后的模型在三通20、30、60处均增加一定的刚度值，通过计算新模型，其应力分析结果见图4。

图4 应力分析结果

操作/设计工况二次应力由原来的107.5%/125.6%变为46.5%/54.5%，降低了一半，满足二次应力要求，对比见表1。端部受力对比见表2。

表1 转化后的模型数值

表2 端部受力对比

注：主要受力荷载降低为原来的57%左右。

3 结语

图5 简化三通模型

通过以上实例计算可看出，在计算三通时，CⅡ软件默认的B31.3附录D规范是不考虑其柔性的，把它完全当作刚性件，如图5中的简化三通模型，附录D是将三通归结为中心点5050一个节点来计算SIF和k。而B31J是将三通划分为不同的节点，如图6，通过Node-Cnode定义各个点的刚度来模拟三通，考虑了三通柔性。

图6 模拟三通

可以借助有限元分析工具PRG，分别按照B31.3附录D和B31J计算三通的SIF和k值。就以本文中的工程项目实例为例，等径三通规格φ219×6.0mm，各项数据的对比见表3。

表3 对比数据

从上表可以看出，CAESARⅡ运用B31.3附录D规范对三通是按一个相交的单一节点，从三个方向对此节点分别计算其一次应力和二次应力，这只能简单、宏观地从梁单元弯曲变形的角度粗略分析三通的安全性。当进行计算管系应力时，遇到类似上述实例的模型，又不方便修改管道走向和增加补偿时，可以考虑借用有限元分析工具，按照B31J规则，从薄膜应力的角度详细模拟和分析三通的应力状态，以便可以从合理性和经济性的角度，更加准确地评估三通的安全性。