管道焊接支管连接的补强及设计

秦素亚　中国石油工程建设公司华东设计分公司　北京　100101



管道焊接支管连接的补强及设计

秦素亚*中国石油工程建设公司华东设计分公司北京100101

摘要配管设计中，当支管连接的分支尺寸超出标准件范围或特殊管道采用标准件有局限时，在主管直接焊接支管是常见的做法。由于开孔会削弱主管强度，需要对开口处进行详细核算以确定是否需要补强。文章综合ASME、GB、SH等标准对管道补强的相关规定，介绍焊接支管是否需要补强的两种判断方法，同时确定了焊接支管补强形式及计算补强面积，并结合实际生产案例对管道焊接支管连接是否需要开孔补强及补强圈的计算进行详细解析。最后提出焊接支管连接在实际应用中应注意的事项及等面积补强原则的局限性。

关键词支管连接焊接支管开口焊等面积补强

*秦素亚：工程师。2008年毕业于中国石油大学(北京)材料学专业获硕士学位。主要从事炼油化工管道设计工作。

联系电话：(010)58170109，E-mail：bj-qinsuya@cnpccei.cn。

在配管设计中，管道上支管连接是最常见的结构形式，支管连接方式的确定为管道设计重要内容。常见的支管连接结构型式有三类[1]：① 整体管件型。主管与支管通过三通管件连接；② 加强管接头型。主管开孔，通过支管连接件与支管连接；③ 焊接支管型。主管开孔，支管直接焊接于主管。

主管与支管连接处优先选择标准管件(如三通、支管台等)是管道设计的常规做法，但对于受力不太苛刻，或分支尺寸超过标准件范围的情况，可采用在主管上直接开孔并接出分支管方法。这种方法既可省去较贵的三通等标准管件，又可减少管道施工的焊缝数量，无疑是比较经济的。同时对于火炬放空总管，凝结水管要求分支管与主管成45°角，此时无现成标准件，一般采用焊接支管进行分支连接。

由于标准管件的强度设计是由制造商完成的，并以其许用压力值满足相应的应用标准定义为原则，管道设计一般不需要再核算其强度。但对于焊接支管，其连接的主管本身必须开孔，从而使主管强度降低，其承压能力下降。当主管强度削弱达到某一值时，就应考虑分支处的补强问题，因此焊接支管的补强校核是管道设计中重要的环节。

1焊接支管补强的判断

在设计工作中，焊接支管的补强计算可以遵循ASME B31.3/B31.4[2,3]、GB/T 20801[4]、SH/T 3059[5]、GB 50316[6]等的相关规定。其中，美国输油管道规范ASME B31.4可以说是世界范围内通用的管道工程规范，GB/T 20801、SH/T 3059、GB 50316结合ASME B31.3/B31.4对开孔后管道的有效补强范围和补强要求做了相关规定。本文将结合上述规范介绍两种判断焊接支管是否补强的方法。

1.1环向应力与管材屈服强度比(σθ/σs)

在管道分支设计时，按ASME B31.4《液化烃和其他液体管线输送系统》的相关规定，焊接支管的连接结构形式可以按表1 选择。

表1　焊接支管连接结构形式

注：(1)当不采用三通、四通或整体加强时，应采用环绕主管的加强构件。严禁采用补强圈、局部鞍板或其他局部补强构件。(2)补强构件可采用全环绕型、补强圈或局部鞍板型，或焊接高压管接头。(3)公称直径小于或等于50 mm的支管连接用开孔不用补强，但对经常承受振动和其他外力的小支管，应采取适当的加强措施。(4)不强制规定开孔补强，但对承受苛刻外载荷的工况可能需要补强。(5)当需要设置补强构件，且支管直径要求补强构件围绕主管超过半周时，不论计算环向应力大小均应采用全环绕型补强构件、三通、四通或整体加强。

从表1及备注中可见：环向应力与管材屈服强度的比值(σθ/σs)、支管外直径Db与主管外直径Dh的比值(Db/Dh)，两者是影响支管连接是否需要补强及补强形式的主要因素。

环向应力的计算公式：

(1)

管道环向应力计算后，可根据选用的管材查相应标准下钢管的屈服强度σs来计算σθ/σs；根据支管开孔直径与主管公称直径计算Db/Dh，结合两个比值，进行初步判断。

1.2等面积补强判断法

补强面积的确定原则是等面积补强，即挖去多少金属，就补多少金属，这样做的目的虽不能消除应力集中的影响，但可以缓解应力集中的影响，降低应力集中区的应力水平。判定补强足够的标准是: 开支管剖面上所有的有效补强面积之和，不小于开孔所削弱的承压所需面积[7]。计算公式：

A2+A3+A4+A5≥A1

每部分的面积计算公式在ASME B31.3/B31.4、GB/T 20801、SH/T 3059、GB 50316中都用详细的规定，结合已知参数：主管、支管的计算厚度及公称直径，名义厚度，腐蚀裕量，材料厚度负偏差，即可算出A1、A2和A3的面积。

实际判断是否需要补强时是没有加补强板的，故A4=0；一般情况下，如果补强区内没有已设的补强金属，而焊缝金属起到的补强作用可以忽略不计(因面积较小)，此时A5=0。因此判断管道开口焊是否需要补强只需要将(A2+A3)与A1作比较即可。若之和大于A1则不需要补强；否则，则应补强。

2案例说明

以某炼化企业具体管道分支设计为例来说明焊接支管连接判断是否需要补强及补强计算。

2.1案例1

某炉管(材质：15CrMo)主管开一个沿主管45°轴向倾斜的分支管道，具体设计条件见表2，判断焊接支管后是否需要补强。

2.1.1判断方法1

(1)计算σθ/σs。

表2　管道主要设计条件

由式(1)计算σθ，计算出环向应力为26.4MPa，查GB/T 20801.2 表A.1，该15CrMo管的屈服强度σs为235MPa，σθ/σs=0.11。

(2)计算Db/Dh。

根据表2中的参数计算：

Db/Dh=0.52

结合σθ/σs及Db/Dh查表1，可见焊接支管结构应按照表中(4)、(5)的要求。结合实际工况，该设计条件下的管道不属于承受苛刻外载荷的工况，故而不用补强，该接管开孔已满足要求。因此后面的(5)要求可不用执行。

2.1.2判断方法2

(1)计算主管及支管的计算厚度。

查GB/T20801.2 附录A中表A.1，S=121MPa；表A.3，Φ=1.0；GB/T20801.3表16，Y=0.4，输入已知参数，得出计算厚度：主管th=1.8mm；支管tb=0.94mm。

(2)计算补强范围宽度及主管外侧补强范围高度。

由GB/T20801.3中 6.7.1部分规定：

d1sinβ=Db-2(Tb-C)

d2=max(d1,Teb+Teh+d1/2)

L4=min(2.5Teh, 2.5Teb)

输入参数，计算得d1=152.7mm ；d2= max(152.7，83.9)=108mm；L4=min(11.25,7.5)=7.5mm。

(3)计算面积A1、A2、A3。

由GB/T20801.3中6.7.1部分公式(15)、(17)和(18)得：

A1=thd1(2-sinβ)=1.8×108(2-sin45°)

=355.4 mm2

A2=(2d2-d1)(Teh-th)

=152.7(4.5-1.8)=412.3 mm2

A3=2L4(Teb-tb)/sinβ

=2×7.5×(3-0.94)/ sin45°=43.7 mm2

总的补强面积：

A2+A3=412.3+43.7=456 mm2

A1=355.4 mm2

A2+A3>A1

因此，该接管开孔已满足补强要求，不需要另加补强。

2.2案例2

某油品管道(材质：15CrMo)主管开一个沿主管60°轴向倾斜的分支管道，具体设计条件见表3，判断焊接支管后是否需要补强。

表3　管道主要设计条件

2.2.1判断方法1

(1)计算σθ/σs。

根据式(1)计算σθ，计算出环向应力为56.8MPa，σθ/σs=0.24。

(2)计算Db/Dh。

根据表3中的参数计算：

Db/Dh=0.41

结合σθ/σs及Db/Dh查表1，可见焊接支管结构应按照表中(2)的要求，即焊接支管需要补强。

2.2.2判断方法2

按照案例1的计算过程，结合本管道的具体参数，假设没有补强，各部分面积计算结果：

A1=1346.8 mm2

A2=408.1 mm2

A3=49.3 mm2

总的补强面积：

A2+A3=408.1+49.3=457.4 mm2

A1=1346.8 mm2

A2+A3

因此，该接管开孔需要补强。

3焊接支管的补强面积计算

3.1补强的结构形式

常用的补强方法有两种：① 补强圈补强，即以全熔透焊缝将内部或外部补强圈与支管和主管相焊[8]。根据补强圈的形状不同，该种补强又可分为鞍板型补强和全环绕型补强两种。② 整体补强，即增加主管厚度，或以全熔透焊缝将厚壁支管或整体补强锻件与主管焊接。采用增加主管厚度进行补强时，会增加管系的金属用量，它是一种不经济的做法。采用厚壁支管或整体补强锻件进行补强时，对支管部分补强有裕，但对主管补强不足。

3.2补强面积计算

补强面积的确定原则是等面积补强，即挖去多少金属，就补多少金属，这样做的目的虽不能消除应力集中的影响，但可以缓解应力集中的影响，降低应力集中区的应力水平。主管开孔补强可按照本文1.2介绍的公式A2+A3+A4+A5= A1来计算。以下将按照表1的规定将补强圈分为鞍板型和全环绕型两种补强结构来介绍补强面积的计算。

3.2.1鞍板型补强圈

由前文可知，补强圈截面积A4= A1-( A2+A3+A5)，其中A1、A2、A3的面积可以按照本文第2部分计算出来，只要知道补强范围内的焊缝截面积A5，则可算出A4。GB 20801.3 中7.8部分对焊缝的尺寸要求做了规定：

支管对主管的焊缝厚度：

补强圈对主管的焊缝厚度为tcr=0.5Tr

支管对主管的焊缝面积与补强圈对主管的焊缝面积之和就是补强范围内焊缝截面积A5，即

A5=2×(0.5×2tcb×tcb) + 2×(0.5×2tcr×tcr)

=2 (tcb)2+2 (tcr)2

针对本文2.2的案例，计算出补强圈的面积A4，从而算出补强圈的外径，补强计算完成。

=4.97 mm

tcr=0.5Tr=0.5×12.5=6.25 mm

A5=2×4.972+2×6.252=127.5 mm2

A4=A1-(A2+A3+A5)

=1346.8-(408.1+49.3+127.5)=761.9 mm2

根据GB/T 20801.3中6.7.4部分的公式(19)得出补强圈的外径Dr。

A4=(Dr-Db/ sinβ)Tr

=(Dr-168÷sin60°) ×12.5=761.9 mm2

Dr=254 mm

3.2.2全环绕型补强圈

按照本文3.2.1节计算方法得出补强的范围，若超过主管的半周时，应采用全环绕型补强结构，常见的结构见图1。

图1　全环绕型补强结构

当补强圈的形式采用全环绕型时，其设计应满足以下要求：

(1)全环绕型补强构件的强度要求原则应满足“等面积补强法”。

(2)全环绕主管的加强构件，开孔内边缘应倒圆角，圆角半径为3mm，当加强构件壁厚比主管厚时，应以45°的坡度削薄其边缘，使边缘厚度不大于主管壁厚。一般地，该构件的厚度不应大于1.5倍主管的公称壁厚，长度可取按照3.2.1节计算出Dr的2倍。

4焊接支管应注意的问题

4.1不能采用焊接支管连接的情况

(1)对于GC1 级管道及有剧烈循环工况不宜采用补强圈作为补强措施。

(2)有机械振动、压力脉动和温度急剧变化的部位及设计温度超过425℃的管道。

(3)设计压力等于或大于2.0MPa、设计温度超过250℃以及支管与主管公称直径之比大于0.8或承受机械振动、压力脉动和温度急剧变化的管道分支，应采用三通、45°斜三通和四通连接；公称直径小于或等于40mm 的管道，应采用承插焊(或螺纹)锻制三通；公称直径等于或大于50mm的管道，应采用对焊三通。

4.2焊接支管连接的注意事项

(1) 当管子的环向应力大于管子材料在工作温度下许用应力的50%时，被支管开孔削弱的管子应经验算确定是否需要补强。

(2)当支管连接处承受由于支管热变形、外荷载及支架位移等引起的应力时，应对附加荷载在支管连接处产生的影响进行分析并采取必要的加强措施。

(3)表1中管道补强计算时，环向应力与管材屈服极限的比值为重要的判断因素，当σθ/σs≤ 20 时按注(4)不强制规定开孔补强。但是对于薄壁管或有严重外载荷等情况下，为安全起见，按补强计算。

(4)外加补强材料可不同于主管材料，但应和主管、支管材料具有相似的焊接性能、热处理要求、电位差和热膨胀系数等。

(5)支管与主管的焊接连接结构设计应符合ASME B31.3/B31.4、GB/T 20801、SH/T 3059、GB 50316的要求。

4.3等面积补强原则的局限性

等面积补强法是支管连接开孔补强计算的最低要求，ASME B31.3/B31.4、GB/T 20801及SH/T 3059标准都规定了其适用范围：

(1)当主管外径与主管最小壁厚之比小于100时，支管外径与主管外径之比不应大于1.0；当主管外径与主管最小壁厚之比等于或大于100时，支管外径与主管外径之比应小于0.5。

(2)支管轴线和主管轴线相交，其夹角不应小于45°。

5结语

(1)焊接支管设计时，要根据管道设计温度、设计压力及结合管道材质，来判断焊接开孔焊是否需要补强。同时要综合考虑管道的运行工况，最终确定是否采用焊接支管连接、焊接支管是否补强以及补强形式。

(2)判断焊接支管是否补强的方法有两种：① 计算σθ/σs及Db/Dh，结合表1查询是否需要补强及补强的形式；② 利用已有的管道参数，通过计算面积，比较(A2+A3)与A1大小。

(3)利用面积计算公式可以计算出A1、A2、A3和A5，利用等面积法可以计算出A4大小，从而得出所需补强圈的半径。

(4)焊接补强校核采用的等面积补强原则，是支管连接开孔补强计算的最低要求，其使用是在一定范围内，对于大口径薄壁管的开口焊补强核算不可采用等面积法。

符号说明

P 管道设计压力，MPa

S0管道名义壁厚，mm

A1因开孔削弱而需要补强的面积，mm2

A2补强范围内主管上除承受压力所需面积之外的多余截面积，mm2

A3补强范围内支管上除承受压力所需面积之外的多余截面积，mm2

A4补强范围内的补强圈截面积，mm2

A5补强范围内的焊缝截面积，mm2

D管道公称直径，mm

S管材在设计温度下的需用应力，mm

Φ管子与对焊管件的纵向焊接接头系数

Y计算系数

T计算厚度，mm

d1在支管处从主管上切除的有效长度，mm

d2补强范围宽度的一半，mm

β支管轴线和主管轴线间的夹角，本案例为45°

Db支管外直径，mm

Dh主管外直径，mm

σθ主管环向应力，MPa

σs主材屈服强度，MPa

Tb支管最小厚度，为名以厚度减去材料厚度负偏差，mm。Tb=0.875×6.3=5.5mm

C腐蚀裕量，mm

Teh主管有效厚度，mm

Teb支管有效厚度，mm

L4主管外侧的补强范围高度，mm

Tr补强圈或补强鞍板的名义厚度，一般取主管的名义厚度，mm

参考文献

1应道宴. 工业管道支管连接的压力设计[J]. 化工设备与管道, 2007, 44(1):7-12.

2ASME B31.3-2012, Process Piping[S].

3ASME B31.4-2012, PipelineTransportationSystems for Liquidsand Slurries[S].

4GB/T 20801-2006，压力管道规范工业管道[S].

5SH/T 3059—2012，石油化工管道设计器材选用通则[S].

6GB 50316-2000, 工业金属管道设计规范[S].

7王浪云.关于压力管道支管补强计算的探讨[J]. 化工设备与管道, 2011,48(3):50-52.

8宋长清, 刘莹, 邓建勇. 大口径管道开孔补强的设计核算方法及效果[J]. 炼油技术与工程, 2012, 42(7):49-52.

(收稿日期2015-11-22)