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1、拔制三通C值对三通受力及爆破压力的影响分析赵树炳（中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）摘要：以DN1200x1000拔制三通为例，通过有限元分析方法，计算了当拔制三通的C值不断增大时，三通各关键受力部位的应力变化情况，以及对三通爆破压力的影响。分析计算结果表明，当C值小于当前规范给定值时，增加三通C值，能有效减小三通肩部、腹部的应力，三通的爆破压力增加也比较明显，但是当C值大于规范给定值时，C值的变化对各部位的应力影响变小，不能有效提高三通爆破压力。因此在目前各规范规定的C值基础上，再增加C值，不能有效提高拔制三通的强度。关键词：拔制三通；爆破压力；C值；补强 作者简介赵
2、树炳（1983-），男，2009年北京化工大学毕业，硕士，工程师，长期从事长输管道及相关设备的设计及应力分析工作。电子邮箱：；15100724858。1前言目前国内外拔制三通壁厚的计算，仍然是以等面积补强方法为主，各规范对三通的有效补强面积的计算方法略有差异1-4，文献1、2、3没有考虑管道腐蚀余量，文献4考虑了腐蚀余量。根据成形后的三通壁厚测量数据，当三通口径较大时，计算得出的有效补强宽度均大于规范所给定的C值，图1为拔制三通示意图。能否通过增加三通的C值，有效提高拔制三通强度，达到减小三通壁厚，解决高压力、大口径三通面临的设计及制造难题，是目前国内管件行业关注的焦点。下文采用有限元分析方法
3、，计算分析了当C值变化时，三通各关键受力部位的应力以及三通爆破压力的变化情况，为回答是否需要增加三通C值的问题提供参考。图1 三通示意图2分析方法及方法验证2.1 三通模型尺寸以DN1200X1000，X80材质三通为例，根据国内外管件规范5-9，该规格三通C值为889mm，M值为813mm。根据国内管件厂制造的三通实际测量尺寸，原钢板厚度为44mm时，三通主管壁厚取测量最小值为44mm，支管壁厚取测量最小值为35mm，外倒角平均曲率半径为96mm，内倒角平均曲率半径140mm。分析模型为纯三通模型。按照文献1等面积补强方法计算得到的有效补强宽度：F=di=1016-2x35=946mm式中：
4、F为有效补强宽度，mm;di为拔制支管内径，mm参考相关标准中压力容器开孔补强宽度的取值，以及对应力影响区范围的计算方法10-11，C值依次取为508mm(D2/2)、533mm(0.6C*)、622mm(0.7C*)、711mm(0.8C*)、800mm(0.9C*)、1016mm（1.0D2）、1117.5mm(C=(D1+D2)/2)、1219mm（1.0D1）、1500mm，其中C*为当前规范中C取值，D1为主管外径，D2为支管外径。2.2有限元分析方法及方法验证2.2.1 有限元分析方法有限元分析采用大型通用有限元软件ANSYS，分析类型为材料非线性，选择几何大变形。根据成形后三通样
5、条试验结果，弹性模量为1.93x105MPa，泊松比为0.3，材料应力应变曲线见图2。图2 材料应力-应变曲线分析中取四分之一三通模型，见图3，采用solid95三维实体单元，支管端面施加支管轴向约束，两个对称面施加对称约束。 图3 三通分析模型采用分步载荷方法，在三通内表明施加内压，主管端面施加等效拉应力，等效拉应力与内压之间关系式：式中：PL为等效拉应力，MPa； P为内压，MPa； D1为主管外径，mm； t1为主管壁厚，mm。2.2.2 分析方法验证为验证有限元模拟的准确性，对规格为DN1200X1000三通的水压爆破试验模型的关键部位的应力变化以及爆破压力进行了模拟，并与实际爆破试验
6、测量值进行了对比。图4为三通肩部外侧应力模拟计算结果与实测结果对比曲线，模拟计算结果与应力测试结果基本吻合。01002003004005006007000510152025303540水压(MPa)应力(MPa)模拟计算值试验测量值图4 三通肩部外侧应力对比 图5为三通腹部外侧应力模拟计算结果与实测结果对比曲线，模拟计算结果与应力测试结果基本吻合。图5 三通腹部外侧应力对比 图6 DN1200X1000三通爆破压力模拟 图7 DN1200X1000三通爆破试验模拟计算得到三通的爆破压力为34.1MPa，试验得到的实际爆破为34.4MPa，偏差为-0.87%。3 C值对三通关键部位应力的影响3.
7、1 应力监测点三通的受力部位主要分为肩部、腹部、主管和支管，应力监测点分布如图8。肩部内侧点取为内过渡圆弧中心点，肩部外侧点取为外过渡圆弧中心点；腹部内、外侧监测点分别取为主、支管相贯线腹部内、外侧中心点。图8 三通应力监测点分布3.2 计算结果分析得到三通肩部内、外侧应力与C值的关系曲线见图9。从图中可以看出，C值在508 mm至889 mm之间时，应力下降速度比较大，在889mm至1500mm之间时，曲线平缓，应力变化很小，C值每增加1mm，应力大约下降0.01MPa。图9 三通肩部应力-C值曲线图8为三通腹部应力与C值关系曲线。从图中可以看出，随着C值的增大，腹部内、外侧应力均逐渐减小，
8、腹部内侧应力下降的更明显。当C值大于889mm之后，腹部内、外侧应力下降速度都变小。对于腹部内侧，C值每增加1mm，应力大约下降0.18MPa，对于腹部外侧，C值每增加1mm，应力大约下降0.07MPa。图10 三通腹部应力-C值曲线4 C值对三通爆破压力的影响三通爆破压力与C值之间的关系曲线如图11。从图中可以看出，三通爆破压力随着C值的增大不断增大，但是增加的速度逐渐减小。在508mm至622mm之间时，C值每增加1mm，爆破压力增加0.06MPa；在622mm至889mm之间时，C值每增加1mm，爆破压力增加0.02MPa；在889mm至1500mm之间时，C值每增加1mm，爆破压力增加
9、0.004MPa。图11 三通爆破压力-C值曲线5 结论及建议通过以上对不同C值时三通应力监测点的应力及三通爆破压力的计算分析，可得出以下结论：1、与其它部位相比，肩部应力明显较大，是三通最先出现屈服的部位；2、当拔制三通C值逐渐增大，三通肩部内侧、外侧应力逐渐减小，但是当C值大于规范给定值之后，肩部内、外侧应力变化很小，因此在目前规范所规定的C值基础上，再增加C值不能有效降低三通肩部的应力；3、对于三通腹部，当C值变大时，腹部内、外侧应力均减小，腹部内侧比腹部外侧应力下降更明显，当C值大于规范给定值时，应力下降速度变小，对于腹部内侧，C值每增加1mm，应力大约下降0.18MPa，对于腹部外侧
10、，C值每增加1mm应力大约下降0.07MPa；4、三通爆破压力会随着C值的增大而增大，但是当C值大于规范给定值时，C值每增加1mm，爆破压力大约增加0.004MPa，不能有效提高三通的爆破压力。5、通过增加三通C值，不能解决当前高压力、大口径拔制三通存在的制造苦难的问题，宜从优化三通结构方面着手，优化三通内、外过渡圆弧角12，或改进制造工艺，增加三通肩部壁厚，提高三通强度。参考文献1 油气田及管道建设设计专业标准委员会.GB50251-2003输气管道工程设计规范S.北京:中国计划出版社,2003.2 中国石油天然气集团公司.GB50253-2003输油管道工程设计规范S.北京:中国计划出版社
11、,2007.3 The American Society of Mechanical Engineers. ASME B31.4-2012 Pipeline Transportation Systems for Liquids and SlurriesS. 2012.4 The American Society of Mechanical Engineers. ASME B31.8-2012 Gas Transmission and Distribution Piping Systems S. 2013.5 李俊英，郭顺显，朱全明等.GB12459-2005钢制对焊无缝管件S.北京: 中国标准
12、出版社,2005.6 中国石油天然气管道工程有限公司.SY/T0510-2010钢制对焊管件规范S.北京:石油工业出版社,2010.7 中国石油天然气管道工程有限公司.SY/T0609-2006优质钢制对焊管件规范S.北京:石油工业出版社,2006.8 The American Society of Mechanical Engineers. ASME B16.9-2012 Factory-MadeWroughtButtweldingFittingsS. 2012.9Manufacturers Standardization Society of The Valve and Fittings
13、Industry. MSS SP75-2008 Specification for High-Test,Wrought,Butt-Welding FittingsS. 2008.10 寿比南，陈钢，郑津洋等.GB150-2011压力容器S.北京: 中国标准出版社,2012.11 全国压力容器标准化技术委员会.JB/T 4732钢制压力容器分析设计标准S.北京: 中国标准出版社,2012.12 赵树炳，赵振兴，张志强等.油气管道用大口径三通结构分析及优化J.石油化工设备，2014，43(1):44-47.文题The impact on stress and bursting pressure o
14、f C value for extruded tees作者ZHAO Shu-bing第一作者单位（First Authors Address: China petroleum pipeline engineering corporation, Langfang 065000, Hebei, China)摘要. Take the DN1200x1000 extruded tee as an example, through the finite element analysis method, calculated the impact on the stress of the main par
15、ts and bursting pressure of the extruded tee while C value increases. The results show that, when the C value is less than the current specification given value, can effectively reduce the stress by increasing the C value, and the bursting pressure increases obviously, but when the C value is greater than the specification given value, it is unable to effectively enhance the bursting pressure by increasing the C value. So by increasing the C value bas
