大口径热挤压成型三通开孔补强的核算分析

毕陈帅 窦永磊 卞 敬 卢秋朋 周 蕊 井怿斌

（天津市特种设备监督检验技术研究院 天津 300192）

大口径热挤压成型三通开孔补强的核算分析

毕陈帅 窦永磊 卞 敬 卢秋朋 周 蕊 井怿斌

（天津市特种设备监督检验技术研究院 天津 300192）

根据规范中关于三通管道开孔补强原理和计算方法，结合六种型号大口径热挤压三通爆破实验结果，分析等面积补强法在大口径热挤压三通中的适用性。比较了实验爆破压力和根据补强原理计算得到的设计压力，改进了大口径热挤压三通开孔补强所涉及的补强区范围及其核算方法，为管道系统设计和安全评估等提供工程参考。

热挤压成型三通 开孔补强 等面积补强法 补强核算

管道开孔接联分流支管及其补强结构是石油、天然气等管道运输系统中最为常见的结构形式之一，其对输送效率有着至关重要的影响。主管道开孔后，其结构的几何连续性遭到了破坏，在开孔和接联支管处呈现出强烈的应力集中现象，加之服役环境的恶化及制造工艺的缺陷等原因，都给管道运输系统安全性、可靠性带来了很大的隐患。通常开孔部位严重削弱管道系统的整体强度、承压能力等性能，其薄弱环节往往发生在管道接联附近相关区域［1］，有必要对开孔处的补强进行核算并确定其最优的结构形式，为管道系统设计及其安全性评估提供工程指导意义。

刘欣等［1］对开孔补强设计主要原则进行分析，对补强板、补强管和焊台补强三种补强方式进行比较研究，结合某特定储气管道在各种工况下进行计算分析，并比较三种方法的优缺点，确定最适合该工况下开孔补强方式，故很有工程借鉴意义。曲忠奎等［2］分别对在压力管道设备常采用的压力容器开孔补强法和压力管道标准规定的开孔补强法两种计算方法进行比较分析，论述了两种方法的特点及适用范围，并指出在实际工程应用中注意的事项。但文章并没有结合具体工程实例对两种方法给予定量分析，对某特定工程问题选择何种方法仍然值得商榷。赵树炳等［3］根据工程输气管道和输油管道规范，对比分析了拔制三通开孔补强计算方法，可供汇气管拔制三通的补强核算参考。此外，王高峰等［4］对油气输送关于拔制三通开孔补强计算所采用四种标准进行了对比分析，可为工程管道补强设计极端和核算提供指导。根据文献［1-4］分析可知，多数工程研究人员的研究仅限于根据标准中关于管道补强核算规范对焊接接联支管进行比较和分析，对现有通过热挤压成型工艺的大口径三通鲜有报道。现有报道虽结合工程实例分析给出若干指导建议，鲜有报道涉及到大口径热挤压成型三通接联支管开孔补强的设计计算和核算，且并未对根据现有规范设计存在较大安全储备裕度进行改进。

基于以上阐述，根据GB 50251—2003［5］中关于三通开孔补强的原理和计算方法，结合六种型号大口径热挤压三通爆破实验结果，分析等面积补强方法对大口径热挤压三通中的适用性。给出规范中三通开孔补强计算方法的改进建议，对工程应用中关于大口径热挤压三通的补强计算及核算提供工程参考与指导。

1 规范中关于三通开孔补强的核算

输送主管上开孔接联分流支管是现代输油和输气管道系统常见的结构形式，开孔接联支管给管道系统承压能力造成严重削弱，有必要对管道开孔补强进行核算分析。管道开孔补强设计及计算方法主要有：ASME规范的等面积法及EN 13445标准的压力面积法［6］。所谓开孔补强即在开孔接联支管与主管道附近区域增加与因开孔减弱相当的承受应力面积［7］。在GB 50251—2003附录F中规定：三通或直接在管道上开孔接联分流支管时，因开孔削弱部分可根据等面积补强原理进行设计和核算。应满足式（1）及式（1-a）、式（1-b）、式（1-c）：

其中

式中：

A1——有效补强区内主管多余厚度形成的面积，mm2；

A2——有效补强区内支管多余厚度形成的面积，mm2；

A3——有效补强区内另加补强元件的面积，mm2；

AR——主管开孔削弱的面积，mm2；

di——支管内径，mm；

δn——与主管相连的直管段壁厚，mm；

δb——与支管相连的直管段壁厚，mm；

W ——补强区宽度的1/2，等于di，mm；

根据规范中给出了直管段管壁厚度计算公式：

式中：

δ ——钢管计算壁厚，mm；

p0——设计压力，MPa；

D ——钢管外径，mm；

σs——钢管的最小屈服强度，MPa；

F ——强度设计系数，根据地区等级：一级0.72，二级0.6，三级0.5，四级0.4；

φ ——焊缝系数；

t ——温度折减系数，温度小于120℃时，t=1。

将式（2）、式（1-a）、式（1-b）、式（1-c）代入式（1）中，经化简可得

在实际三通制造过程中，可以根据已知设计压力p0，来设计三通主支管的实际壁厚，使其满足补强要求。也可以根据式（3），根据已知制造出来的三通实际壁厚，求得满足补强要求的三通设计压力p0（因本文仅考虑内压载荷）。对于受约束的埋地直管段轴向应力及当量应力计算参考GB 50251—2003附录B相关计算公式。同理，受内压和温差共同作用下弯头的组合应力参考附录C相关计算公式。上述两种不同工况下不同区段的管道设计压力的计算由于受到外界约束抵消一部分内压，则其设计压力较不受约束直管段裕度更高（即直管段在服役工况更恶劣）。

2 大口径热挤压三通开孔补强计算分析的验证

为了更好的说明等面积法对大口径热挤压三通补强核算分析的适用性，本节根据厂家生产的六种型号大口径热挤压三通，运用前面关于补强验证关系式（3），求得各型号热挤压三通的设计压力，并与各型号热挤压三通的实验爆破压力［8］进行对比分析，验证补强公式的适用性。

2.1 大口径热挤压三通爆破压力开孔补强的计算

以DN1200×900型热挤压三通为例，来说明设计压力p0的计算过程。由于热挤压三通主支管肩部壁厚不均匀，但从主管端到支管端壁厚光滑过渡，逐渐减小。因此，主管段实际壁厚取主管段实测壁厚的平均值，支管段实际壁厚取直管段实测壁厚的平均值。实测主管外径D=1230mm，支管外径d=920mm，支管内径di=830mm，实测三通主管段平均壁厚'nδ=50.7mm，实测三通支管段平均壁厚'bδ=44.3mm，由材料性能实验结果可知，其最小屈服强度σs=565MPa。焊缝系数φ=1，温度折减系数t=1。代入式（3）可得：

当强度设计系数F=0.4时，求得设计压力p0=10.3MPa；当强度设计系数F=0.5时，求得设计压力p0=12.7MPa；当强度设计系数F=0.6时，求得设计压力p0=15.4MPa；当强度设计系数F=0.72时，求得设计压力p0=18.5MPa。上述设计压力均是根据GB 50251—2003关于三通开孔补强的技术规定，按照等面积补强原理求得的，而DN1200×900型热挤压三通实验测得的爆破压力43.4MPa。显然，根据补强条件求得的设计压力远小于三通爆破压力。

同理，可得另外五种型号大口径热挤压三通在不同强度设计系数下的设计压力。六种型号热挤压三通设计压力计算结果见表1。由表1可知，在GB 50251—2003关于三通开孔补强的技术条件下，按照等面积补强原理求得的设计压力均远小于各型号热挤压三通的实验爆破压力。表明设计安全裕度过高，造成材料的浪费。同时，也说明规范中的补强条件已不再适用于这六种大口径热挤压三通，需要进一步探讨大口径热挤压三通的开孔补强技术条件。

表1 大口径热挤压三通补强条件下的设计压力计算结果比较

2.2 对规范中关于三通开孔补强计算的改进

●2.2.1 关于补强区范围的改进

下面以DN1200×900型热挤压三通为例，结合三通的实际几何尺寸，分析补强区范围的适用性。根据支管多余厚度形成的面积A2计算公式可知，与支管连接的直管管壁厚度δb小于支管段的实测壁厚，所以补强区高度。实测主管外径D=1230mm，支管外径d=920mm，支管内径di=830mm，实测三通支管段平均壁厚，实际三通轴向长度为2C=1778mm，三通支管端距离中线为M=787mm，所以三通支管端距离主管外表面高度为M-D/2=172mm。

1）补强区高度验证。

由计算可得规范规定的补强区高度H＜141.3mm，显然H＜ M-D/2=172mm。表明规范规定的补强区高度在三通结构高度范围内。

2）补强区宽度验证。

由计算可得规范规定的补强区宽度2W=2di=1660mm，显然2W＜2C=1778mm。表明规范规定的补强区宽度也在三通结构宽度范围内。同理，可以验证其他五种型号热挤压三通的补强区范围。比较结果见表2，DN1200×700、DN1200×800 和DN1200×900型热挤压三通的补强区范围在三通结构尺寸范围内。DN1200×1000、DN1200×1200和DN1000×1000型热挤压三通的补强区宽度超出了三通结构范围，表明规范规定的补强区范围已经不再适用。而补强区高度一直小于三通支管端高度，即补强区高度在三通尺寸范围内，如图1所示。

表2 各型号热挤压三通补强区范围验证比较

图1 三通补强区范围示意图

●2.2.2 三通补强计算公式的改进

在三通开孔补强技术条件中，第一步是要分别计算与主、支管连接的直管管壁厚度，这是进行补强验算的前提条件。在GB 50251—2003中给出了直管段壁厚计算公式（3）。

以DN1200×900型热挤压三通为例，以厂家生产的热挤压三通主、支管端最薄壁厚为计算壁厚，则主管端计算壁厚δn=45mm，主管外径D=1230mm，支管端计算壁厚δb=41.8mm，支管外径d=920mm，由于δn/D＜δb/d，所以式中代入δn/D来计算设计压力p0。最小屈服强度σs=565MPa，焊缝系数φ=1，温度折减系数t=1，代入式（3）得：

当强度设计系数F=0.4时，求得设计压力p0=16.53MPa；当强度设计系数F=0.5时，求得设计压力p0=20.67MPa；当强度设计系数F=0.6时，求得设计压力p0=24.8MPa；当强度设计系数F=0.72时，求得设计压力p0=29.76MPa。其他型号热挤压三通的直管段设计压力的计算采用上述相同方法。计算结果见表3。

表3 各型号热挤压三通直管段设计压力计算结果

由表3中计算结果可知，按照三通最小厚径比计算的直管段的设计压力比根据等面积补强原理计算的设计压力有所提高，但与三通实验爆破压力还有一定差距。说明仍然有很大的安全裕度。下面将按此方法计算的设计压力分别用于各型号热挤压三通补强公式来对规范关于补强区范围给出改进意见。

1）DN1200×900型三通

主支管最薄处厚径比δn/D＜δb/d，因此，以主管最小壁厚作为已知δn，来计算设计压力p0，进而求得支管的计算厚度。

主管开孔所需补强面积：

主管多余厚度形成的面积：

支管多余厚度形成的面积：

另加补强元件面积：A3=0；

所以补强关系有：

2）DN1200×1000型三通

根据同样的计算步骤可得DN1200×1000型三通补强关系为：

3）DN1200×1200型三通

根据同样的计算步骤可得DN1200×1200型三通补强关系为：

4）DN1000×1000型三通

根据同样的计算步骤可得DN1000×1200型三通补强关系为：

综上分析可知，以三通主支管最小厚径比验算的设计压力，其补强面积只需满足削弱面积的30%。换句话说，根据规范中关于补强原理设计和核算的结果存在很大的安全裕度，这样不仅造成材料浪费，导致未充分利用材料性能，丧失其经济节能的理念。

因此，热挤压三通开孔补强技术条件可以修正为：

式中：

3 结论

根据GB 50251—2003中关于三通开孔补强的原理和计算方法，结合六种型号大口径热挤压三通爆破实验结果，分析补强计算方法在大口径热挤压三通中的适用性，对三通开孔补强计算的给出改进建议。本文主要结论：

1） 根据规范中关于三通补强等面积法计算及实验结果分析，分别对补强区域进行核算表明：补强区宽度取支管内径和三通轴向半长的较小值，补强区高度取三通支管端至主管肩部外边缘距离和规范规定的较小值；

2）以三通主支管最小厚径比验算的设计压力，补强面积只需满足约为削弱面积的30%，即根据规范中补强原理计算结果存在非常大的安全裕度，实际设计可根据工程实际需求对三通补强区域尺寸进行一些调整，这样既不浪费又可充分利用材料的性能；随着管道加工工艺和新材料的应用，相关规范或标准的滞后性需要予以及时完善和修订，使得管道在满足既定功能前提下不失经济节能；

3）分析了六种型号大口径热挤压三通补强核算，改进现有规范中关于补强的设计计算的不足，为热挤压三通开孔补强设计核算、管道设计和安全评估提供了参考。

［1］ 刘欣，王新华，李显达，等.压力管道开孔补强设计［J］.化工设备与管道，2012，49（3）： 64-66.

［2］ 曲忠奎，郭磊，王枫，等.压力管道设备开孔补强计算方法探讨［J］.石油化工设备，2011，40（1）： 23-25.

［3］ 赵树炳，崔成山.拔制三通开孔补强计算分析探讨［J］.中国科技信息，2010（20）：81-82.

［4］ 王高峰，杨延华，刘迎来，等.标准中关于拔制三通开孔补强计算方法的对比［J］.焊管，2013，36（2）：53-57.

［5］ GB 50251—2003 输气管道工程设计规范［S］.

［6］ 王磊.压力容器开孔补强设计方法比较［J］.化工设备与管道，2008，45（1）： 15-18.

［7］ 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.

［8］ 潘羽.油气管道工程大口径热挤压成型三通极限承压能力研究［D］.西安：西安交通大学，2013.

Opening Reinforcement Calculation Analysis for Large Diameter Hot Extrusion Piping Tees

Bi Chenshuai Dou Yonglei Bian Jing Lu Qiupeng Zhou Rui Jing Yibin
（Tianjin Institute of Special Equipment Inspection Technical Research Tianjin 300192）

According to opening reinforcement principles and calculation methods for piping tees norms and combining with blasting results of six large diameter hot extrusion tees models， the applicability of equal-area reinforcement methods for large diameter hot extrusion piping tees are analyzed.Experimental blast pressure and designed blast calculated pressure based on reinforcement principles are compared.Opening reinforcement scope and its calculated methods of large diameter hot extrusion tees are improved， which can provide engineering reference for the pipeline system design and safety assessment.

Hot extrusion tees Opening reinforcement Equal-area reinforcement methods Reinforcement calculation

X933.4

B

1673-257X（2016）09-0016-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.09.004

毕陈帅（1989～），男，硕士，助理工程师，从事特种设备检验检测及相关研究工作。

（2016-03-24）