大管径直埋热力管道三通应力分析

姜方

山东同圆设计集团有限公司

大管径直埋热力管道三通应力分析

姜方

山东同圆设计集团有限公司

三通是热力管道中常用的管件，由于在管道运行时，会在管道的连接处产生峰值应力，因此管道容易产生局部疲劳破坏。本文针对一个实际工程进行了应力分析与计算，并利用ANSYS软件对三通进行了有限元分析，做到在满足应力要求的基础上合理布置附件。

大管径 三通 应力分析

供热管道系统经常要分支，三通是常用的分支结构，不仅承担着管道改向和分流流量的作用，更是一种重要的柔性元件，具有消除管道因温差和安装尺寸偏差等原因造成的应力的作用。三通同直管段相比，属于大开空结构，有一部分几何形状不连续，在支管与干管的肩部交界处存在极大的应力集中，特别容易产生峰值应力，当直管段处于安全运行状态时，三通有可能已经达到曲服。三通由于承担作用和处于部位特殊，不只承受内压作用，弯矩、扭矩、轴向力也作用于此，是管道荷载的集中部位。同时，管道中流体高速流动对三通管壁冲刷引起的管壁减薄，含腐蚀物质的介质对管壁腐蚀产生刻蚀，使得萌生疲劳裂纹、管道爆裂泄露和局部鼓胀危险发生的机会大大增加。由此看来，整个管道的完整和安全运行能力在很大程度上取决于三通质量的好坏与承载能力的高低。

从干管上接出分支，是直埋管道设计和管道安全运行的难点之一。分支点处的处理方法不仅要考虑工程进度，还要考虑工程造价。一般而言主管道走向规划后，应根据分支线的位置，本着降低分支点的受力的原则，反复调整主线补偿装置和固定墩的位置。对于无补偿直埋设计，如果技术可靠、经济条件合理，也可以在分支引处设置少量的补偿装置，力求三通连接处主干线轴向位移量小于50mm[1]。当支管给三通连接处的轴向力较大时，要对分支三通进行加固或安装补偿措施。

1　三通管段验算原则

直埋供热管道焊制三通的强度验算，应根据内压和主管轴向荷载联合作用进行。三通各部分的一次应力和二次应力的当量应力变化范围不应大于3[σ]；区域应力集中部位的一次应力、二次应力和峰值应力的当量应力的变化范围不应大于3[σ]，当工程验算三通不满足《规程》（CJJ-T81-98）所规定的上述条件时应进行加固[2]。

由于三通的应力验算，《规程》（CJJ-T81-98）并未给出相应的计算方法，附录给出的三通加固方案也仅是针对小管径的加固方案，对于大口径热力管道，应力分析和管道加固没有相应的规范指导。

对于三通、变径、折角和不满足弹性臂长要求的弯头，强度计算需要借助有限元分析。有限元分析需要建立研究对象的几何模型，设定边界条件，进行网格划分并进行迭代计算。

2　工程简介及应力分析

本工程为某实际工程管井示意图，水流方向为从右到左，右侧干管管径为DN600mm，支管管径DN350mm，长40m。设计条件为：热网的供水温度为140℃，回水温度为70℃，安装温度10℃，工作循环最低温度取为10℃，供水压力为1.6MPa。管材材质为Q235钢，管顶埋深为1.5m，采用冷安装方式。管道布置如图1。

图1　管道布置图

本设计属于三通处设置固定墩和补偿器的情况：结合保护阀门和变径管，充分利用检查井，在检查井中，设置固定墩和补偿器。原施工图中三通处设置在管井中，支管没有做补偿，施工图中三通布置形式如图2所示。

图2　三通布置形式

3　三通优化改进措施

当三通主管位移为零，或位移量小于50mm时，分支考虑补偿，可采用Z形弯管引出，如图3。弯头距三通的距离L1应大于直管弹性臂长且小于20m，用以对主管轴向位移补偿。补偿弯管长度L2应按Z形补偿弯管确定，取弹性长度Le的1.25～2倍，用来补偿支管热伸长。

图3　Z形分支

当三通主管位移为零，或位移量小于50mm时。轴向补偿器可安装在分支管上，如图4。分支点距补偿器的最小距离不应小于1.5Le，最大距离不应大于20m。以补偿主管轴向位移。分支管内压力对三通的影响要特别注意。支管内压力作用被分支点至补偿器管段的土壤摩擦力相互抵消时，可以安装普通轴向补偿器，否则应当安装无推力轴向补偿器。

图4　支管装轴向补偿器

本设计管井三通的主管无位移，分支可设Z形弯管进行自然补偿，也可以设置补偿装置进行补偿。虽然设Z形弯管自然补偿布置方便，但是考虑到增加4对弯头，弯头需要增大曲率半径，比在支管增设补偿器造价更高；并且敷设范围变大，加大了土方作业，还要考虑地形等影响，不利于施工。所以本设计在支管上增设补偿装置，见图5。

图5　管井三通支管装补偿器

4　ANSYS数值模拟

通过ANSYS软件对该处的三通进行了仿真模拟[3，4]，证明该处如果采用非加厚三通，原设计必须采取措施减弱支管对主管的应力，本文在支管安装补偿器是实际工程中比较经济与实用的方法。

最大摩擦力[5]：

式中：F为每米管道沿轴线方向的摩擦力，N/m；μ为保温管壳与土壤之间的摩擦系数；ρ为土壤密度，一般沙土为1800kg/m3；g为重力加速度，m/s2；H为管顶以上的埋土深度，当H＞1.5m时，取H=1.5m；Dw为预制保温管外壳管径，m；G为每米预制保温管的管道与介质总重量，kg/m。

该段管长 L=40m，利用公式可得 Fmax为20091.96N/m，支管截面积A为0.007451m2，根据应力的定义——单位面积上作用的力，可得到三通处受应力为：40×20091.96/0.007451=108MPa。

4.1几何模型

虽然本文所建模型是两个圆柱体相贯，但实际中的三通并非如此。完全复制实际结构进行分析，难度会非常大。所以为了简化问题提高效率，可进行理想假设：不考虑主、支管的加工误差及不圆度；将结构看作两个理想的圆柱体正交相贯；不考虑相贯线处焊缝堆高、加强板等加强元件的增强作用；分析中仅考虑管径比不小于0.5的情况。

在建模过程中，三通主支管的相贯处的圆角是建模所要处理的一个重点问题。因为，当此处不设置圆角时，会导致很大的应力集中，远远超过了材料的安定性分析强度条件。在查阅了相关文献，并利用Pro-E软件进行建模并导入ANSYS分析后，可以发现，当三通主管尺寸一定时，在合适的范围内，相贯处的圆角越大，三通应力的最大值就越小。本模拟中，选择圆角尺寸的原则是：采用在建模与导入过程中不会影响模型完整性，所能达到的最大圆角。为了加快模拟的运行速率，建模时仅搭建对称模型的一半。本文研究的三通模型几何尺寸见表1。

表1　三通尺寸

4.2约束条件

首先导入Pro-E的IGS文件，然后在ANSYS中进行工作面切割及面分割体等工作，为划分网格准备。为了求解的准确性，划分网格时，将应力集中区（即过渡圆角处）的网格进行优化，使其较其他位置的网格更密，以减少误差。除了在三通内表面施加内压，在三通的三个端面施加径向约束0，由于干管一侧为固定墩，一侧为补偿器，轴向约束为0。支管轴向施加108MPa的压力。

4.3模拟结果

图6为几何模型图，图7为网格划分。由图8～10可以看出在支管推力作用下，干管的变形很大；三通的峰值应力出现在肩部，符合实际受力情况，最大峰值应力为1310MPa＞3[σ]，最小应力发生在管道下侧面，为7.35MPa，二者相差极其悬殊；三通的最大位移发生在紧挨肩部的干管上，管道向外突出6.54mm。因此如果管道采用非加厚三通，管道必须做补偿设计，所以管道三通支管必须做补偿。

图6　几何模型图

图7　网格划分

图8　模型变形图

图9　模型位移图

图10　模型应力图

5　结论

三通的保护只注意了在干管上设置固定墩限制伸长，加大了管井，增加了投资，优化后在支管上装补偿器完全可以满足要求，并用ANSYS模拟工程设计方案，得出非加厚三通会出现应力过大。对于规程提出的干管轴向伸长小于50mm时，三通可以不做处理，是否在大管径时还适用，是否可以增大伸长量还能满足使用，用ANASY软件进行模拟分析验证。

在本文中应用了ANSYS软件对三通的应力进行了数值计算分析，清楚看到应力分布，特别是最大应力点的位置及数值。表明ANSYS软件有助于管道不连续点的应力分析。

[1]王飞,张建伟.直埋供热管道工程设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2006

[2]城镇直埋供热管道工程技术规程(CJJ-T81-98)[S].北京:中国建筑工业出版社,1998

[3]翁剑成.基于ANSYS软件的三通管疲劳寿命分析[J].化工设备与管道,2011,48(6):46-46

[4]张朝晖.ANSYS8.0结构分析及实例解析[M].北京:机械工业出版社,2005

[5]李娜.供热直埋敷设管道受力计算与分析[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007

Stress Analysis of Tee Pipe Fittings in Big Diameter Directly Buried Heating Pipeline

JIANG Fang
Shandong Tong Yuan Design Group Co.,Ltd.

Tee joint is commonly used in heat pipe.When the pipeline is working,it is easily produce peak stress at the joint,so it brings local fatigue damage.This paper deal with a practical engineering stress analysis and calculation,and carried out a finite element analysis with ANSYS software for a Tee joint,to arrange Tee joint reasonably for the requirement of stress.

big diameter,Tee,stress analysis

1003-0344（2015）06-068-4

2014-9-28

姜方（1988～），男，硕士，助工；济南市高新区舜华路2000号舜泰广场11号楼（250101）；E-mail:jiangfang232010@126.com