管道帶壓開孔及三通應力分析設計

管道廣范應用于動力、石油、化工、輕工、治金、機械等部門，是許多管道運營企業(yè)和工廠生產的重要組成部分。隨著現代化大工業(yè)的發(fā)展，管道技術逐漸為人們所重視，管道的應力與分析，是管道的設計分析與制造的基礎，也是對管道作出強度和安全評價的依據。為了滿足使用需要，管道上經常需要開孔接管或連接三通，這樣就造成了管道及管線的不連續(xù)性，局部存在應力集中。由于管道開孔接管和三通結構復雜，對管道的應力分析依托三維造型軟件和有限元分析軟件，很容易得出管道開孔和三通的應力分布圖。閱讀了《機械設計與制造》2007年7月《管道開孔接管和三通設計及應力分析》的文章，對我們實際的帶壓開孔工程有所幫助和一些感悟，下面進行簡要介紹：

管道開孔及三通的常見結構為跨管道式平行結構，也是人們常說的馬鞍三通。普通的管道開孔和三通結構，管徑、壁厚相同；有時為增強三通的強度，增大連接處的壁厚，以減小應力集中的大小，提高管道的強度。

管道的開孔和三通在承受內壓下會引起局部應力集中，一般在孔邊最高。目前在各國的設計標準和規(guī)范中，采用在開孔邊沿進行補強或局部加厚管壁，以減少應力集中系數，在管道開孔接管和三通的經驗設計分析中，沒有進行單獨的驗算，僅憑經驗進行。目前管道的開孔的三通設計有多種原則，如等面積補強；極限分析補強法；安定分析補強；壓力面積法。這些分析方法都是近似的根據經驗分析和評估，帶有一定的局限性。

管道開孔和三通結構應力分析的邊界條件，首先在三通端部施加固定約束，以限制彎管的剛體位移；在管道的對稱邊界上施加對稱約束。三通的載荷包括三通內壁的壓力端部的附加彎矩。

運用軟件分析時，管件的材料選用12CrMoV,該管材為火電廠、核電廠常用熱力管道材料，其機械性能為：強性模量：E=2.12X10⁵MPa,泊松比v=0.3。管道和接管的管徑取Ф176mm，壁厚各處一致，為8mm，從應力分布圖可看出，管道開孔和三通應力分布均不均勻，在連接處的內側，出現了比較大的應力集中，是極易破壞的區(qū)域，經對比分析，其值比不開孔的直管上的應力增加了30%左右。

文中提到了，結構尺寸參數對管道開孔和三通應力的影響分析，在其它條件不變的情況下，改變開孔孔徑的大小以后，應力有所變化。管徑增大后，應力分布基本沒有變化，但連接處的應力集中增大了，因此對于孔徑比較大的管道，在管道上開孔和連接三通時，應特別注意應力集中的影響，以提高管道的壽命。在開孔處增大壁厚以及管道開孔和三通在連接處增大壁厚以后，應力分布略有改變，變化不大，但應力集中數值減少了很多。所以進一步分析證實，管道開孔和三通可以通過在連接處增大壁厚以減少應力集中是正確的。隨著壁厚的增大，應力集中不斷減少，但這樣也增加了管道的重量，所以在管道開孔和三通的設計中規(guī)定，一般壁厚增大的值與開孔去除的材料相一致，以保證管道重量基本不變。

在帶壓開孔和三通在連接處由棱角變?yōu)閳A孤以后，應力集中值減小。因此，管道開孔和三通可以通過改變連接處結構形式的辦法減小應力集中，但這也給加工帶來了一定的難度。

當管道上開孔和三通的管徑小于直管的管徑時，應力集中相對于等直徑的管道開孔和三通的應力集中值也相應減小。

1、管道開孔和三通使管道產生了較大的應力集中，且應力集中主要發(fā)生在連接處，隨著管徑的增大，應力集中的增加值越大。

2、通過在管道開孔和三通的連接處增大壁厚，或改變連接處的結構形狀，可以使應力集中減小，且隨壁厚的增大和連接過圓孤半徑的增大，應力集中越小，所以可通過增大連接處管道壁厚或連接過渡弧半徑的方法，減少管道開孔和三通的應力集中系數，以增強管道的強度，延長管道的壽命。

3、管道開孔及三通的正確安裝也會減少應力集中現象，嚴格按照《天津先鋒管道帶壓開孔流程》TJXF-DYKK01中規(guī)定進行螺栓的緊固步驟，否則容易出現泄漏或使管道失效。

4、閥門安裝時，也會造成管道應力集中的增加，因此，在閥門安裝后，為了減少對管道應力影響，要采取一定的措施固定和穩(wěn)固措施，具體方法請詳細參閱《天津先鋒管道帶壓開孔流程》TJXF-DYKK01。

參考文獻

1、《管道開孔接管和三通設計及應力分析》 《機械設計與制造》2007年7月

2、《天津先鋒管道帶壓開孔流程》TJXF-DYKK01