高温高压管系焊接斜三通的结构设计与分析

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(1.东方汽轮机有限公司,四川德阳 618000；2.东方电机有限公司,四川德阳 618000)

0 引言

随着环境污染与发电产能过剩等问题日益突出，电力工业的发展在不断追求高效、清洁、安全的前提下，超临界、超超临界火力发电机组和燃气-蒸汽联合循环机组成为各发电企业的主力机型。高温高压管道与设备是机组的核心部件，在服役过程中，这些部件处于高温高压等苛刻的环境中，其在运行过程中一旦失效将发生重特大安全事故和造成巨大的经济损失。高温高压管系焊接斜三通具有焊接制造工艺复杂、受力情况复杂、失效试验难等特点，应用理论公式来准确计算焊接斜三通的应力增大系数(Stress Intensification Factor，SIF)是十分困难的。在工程上大多参照ASME B31.1，B31.3规范进行计算选取SIF[1-2]，因焊接斜三通的真实SIF与ASME B31规范中的SIF有较大差别[3]，所以其计算结果在大多数情况下与实际不符。

对高温高压管系焊接斜三通进行局部应力分析时，利用有限元应力分析计算SIF是行之有效的方法[4-5]。通过有限元程序对具体的管件结构进行计算得到新的SIF之后，将其带回到管道应力分析程序中才可以应用ASME B31.1,B31.3等规范对管道系统进行应力评定，同时得到正确的计算结果。因此焊接斜三通的SIF的正确选取，对管道系统的安全评定至关重要[6-7]。

本文针对汽轮机高温高压管系中的焊接斜三通，在分析其结构型式的基础上，结合焊接斜三通的补强分析计算方法和有限元分析方法，重点分析焊接斜三通几何参数的选取对SIF的影响，为焊接斜三通的设计与选型提供参考，进一步指导校核高温高压管系整体的安全性评定和配管设计。

1 焊接三通结构型式

三通结构广泛应用于流体介质分流和改向的各种管道系统中。根据其成型工艺分为焊接三通和铸造三通。其中，铸造三通不仅工艺复杂,需要一定的浇铸设备,而且由于报废率高等原因,金属耗量也很大，尤其是大容量机组上,铸造三通的生产更为困难；而焊接三通具有取材方便、可在安装现场制造、不需要特殊的工艺设备、金属耗量低等优点，因此得到了广泛应用。根据焊接三通制造工艺方法，将其分为如图1所示的几种型式。

(a)挤压焊接三通 (b)嵌入焊接管座三通 (c)焊接直三通 (d)焊接斜三通

图1 焊接三通型式

根据流体动力学知识，挤压焊接三通、嵌入焊接管座三通、焊接直三通较焊接斜三通流体能量损失大，特别对于汽轮发电机组，管道蒸汽流体介质损失将降低机组进口蒸汽参数，从而降低机组经济性；且焊接斜三通管件较挤压焊接三通、嵌入焊接管座三通具有制造简单、成本低等优点。因此焊接斜三通被广泛应用于汽轮机组进汽管道系统，本文以焊接斜三通为主要研究对象进行分析研究。

2 焊接斜三通补强分析

在高温高压压力管道系统中，当主管与支管以焊接方式相连接时，由于在主管上开孔，开孔之后环向应力的承受面积有所减少，致使其承受压力载荷的能力减弱。ASME B31.3—2012《工艺管道》、 GB 50316—2008《工业金属管道设计规范》、GB/T 9222—2008《水管锅炉受压件强度计算》和GB/T 150.3—2011《压力容器 第3部分：设计》都对开孔管道焊接支管补强计算进行了详细说明，即采用等面积补强方法对开孔削弱的承压面积进行等效面积补偿。焊接斜三通补强原理如下[7]：

(1)根据等面积补强法，即在开孔附近增加与开孔减弱相当的环向应力承受面积，计算补强面积及有效补强范围；

(2)根据补强条件判断补强面积是否满足要求，不满足要求时,则需更改焊接斜三通结构或采取补强措施使其满足补强条件。

焊接斜三通补强结构如图2所示，补强分析计算如下。

(1)有效补强区范围。

沿支管方向补强高度为：

(1)

沿主管补强宽度为：

(2)

式(1)，(2)中符号说明见图2。

(2)补强应满足的条件。

A1+A2+A3+A4≥A

(3)

其中：

A=s2d1(2-sinβ)

A1=(2d2-d1)(s2-s02)

A2=2h(s1-s01)/sinβ

A3=实际角焊缝截面面积

A4=(Dr-D1/sinβ)tr

式中A——纵截面上补强需要的面积，mm2；

A1——纵截面内支管与母管连接处起补强作用的面积，mm2；

A2——纵截面内主管多余厚度起补强作用的面积，mm2；

A3——纵截面内支管多余厚度起补强作用的面积，mm2；

A4——纵截面内焊缝或者外加补强提供起补强作用的面积，mm2。

s1-支管公称厚度(不考虑管道制造偏差)，mm;s01-支管计算厚度，mm;s2-主管公称厚度(不考虑管道制造偏差)，mm;s02-主管计算厚度，mm;d1-在支管处从主管上去掉的有效长度，mm;d2-补强区域宽度的一半，mm;β-支管轴线与主管轴线间的夹角(°)，取值范围[45°～90°]；h-补强区域有效高度，mm;D1-支管外径，mm;D2-主管外径，mm；Dr-补强板的外径，mm；tr-补强板的厚度，mm

图2 焊接斜三通补强结构示意

根据本文研究对象的特殊性及其生产制造等综合考虑,文中将采用整体补强方案进行校核,即增大主管和支管的壁厚。

3 焊接斜三通应力增大系数

对高温高压管系中的焊接斜三通受力分析可知，载荷是由支管直接传递给主管。由于支管的轴向刚度远远大于主管的径向刚度，支、主管的相贯线成为整个结构的薄弱环节，称之为管节点。这个管节点不仅会出现很高的应力集中，而且存在焊接缺陷和焊接残余拉应力，多种不利因素相叠加使该处对交变载荷的抵抗能力较低，疲劳裂纹往往起源于高应力区的初始缺陷处，常常在薄弱环节附近由表面裂纹扩展并穿透管壁，逐步扩展而使焊接斜三通失效[8]。因此，研究管节点的应力增大系数是焊接斜三通疲劳分析和设计的关键手段。

应力增大系数SIF用于表示焊接斜三通几何结构变化不光滑(或几何不连续)处的应力增大现象,定义如下：

(4)

式中σmax——管节点最大应力，MPa；

σnon——名义应力，MPa，即弯矩与抗弯截面模量之比。

由SIF定义可知其值由疲劳试验得到，与材料的疲劳破坏有直接关系，且SIF值通常大于1[7,9]。ASME B31归纳总结了不同焊接型式三通管件(除焊接斜三通外)SIF的计算公式见表1[10]，并被广泛应用于压力管道设计[7]。

表1 应力增大系数计算公式

由表1可以看出，尺寸系数λ决定了应力增大系数，不同型式的焊接三通，尺寸系数均不相同。ASME B3中对前3种焊接三通的尺寸系数影响因素K给出了具体值，但对于焊接斜三通相关标准中并无介绍和说明，有的文献也只是给了某些特定角度的工程经验值[11]，并无太大的实用价值。根据图2和表1焊接斜三通的结构分析可知，其结构几何参数将直接影响应力增大系数的取值，以下将对焊接斜三通的应力增大系数的几何参数进行有限元分析研究。

4 焊接斜三通的有限元分析

对焊接斜三通几何结构定性分析可知，焊接斜三通的接头焊趾处由于截面突变、结构形状失去均匀性而引起的应力集中，是导致焊接结构断裂和疲劳破坏的重要原因，并且疲劳裂纹往往萌生于焊趾处。因此研究各种几何因素对接头应力集中的影响，对于准确地计算焊趾处的应力分布，提高疲劳寿命预测精度有实际意义[12-13]。应用FEATools软件，采用不同的有限元方法对焊接斜三通进行应力分析[14-17]，考察几何结构参数对应力集中系数的影响。本文以某联合循环工程汽轮机高温高压蒸汽管系中的焊接斜三通为例进行研究，分析焊接斜三通几何结构参数对应力增大系数计算选取的影响，并结合焊接斜三通静态承压补强计算方法，定义焊接斜三通应力增大系数的隐函数，提出一般焊接斜三通应力增大系数的计算选取方法，为焊接斜三通设计提供参考。

本文研究对象焊接斜三通的工作压力2.86 MPa，工作温度566 ℃。管件应力分析需考虑材料塑性、蠕变和疲劳破坏的控制，ASME B31系列标准主要通过控制许用应力来实现对材料塑性、蠕变和疲劳破坏的控制。在高温情况下，焊接斜三通管件的应力水平低于一定数值,材料则不会发生蠕变或疲劳破坏。由材料许用应力的确定方法可知，在许用应力的确定过程中，已将材料高温下的蠕变极限和持久极限强度除以安全系数，取较小值作为许用应力的考虑因素，从而避免材料发生明显蠕变或疲劳破坏。根据ASME B31.3和GB 50316推荐,焊接斜三通的材料在设计温度下的许用应力为：(σ0.2/1.5,σ10-5/1.5)min，因此对不同材料的力学性能进行对比分析后，选取研究对象的材质为ASTM A335-P91。

4.1 焊接斜三通应力增大系数参数建模

典型焊接斜三通几何形状及参数如图2所示，根据焊接斜三通的几何参数[13]，定义焊接斜三通应力增大系数SIF函数:

SIF=f(λ,η,ζ,β,ξ)

(5)

η——表征母管的厚度，它等于母管受均匀内压后，母管的内周向应力与内压的比例，还表示母管厚壁的程度，η=T/D;

ζ——实际管壁厚度与按等强度设计原则的管壁厚度之比，是表明管壁厚度相对于等强度设计的“富余”程度的参量，ζ=(Dt)/(dT);

β——表征支管对母管作用力的方向的夹角，β=90°-θ；

ξ——表征三通静态承压强度，即其结构是否进行补强，判断条件如下：

4.2 焊接斜三通几何结构参数计算

本文选取某联合循环工程蒸汽轮机中压主汽管中的焊接斜三通结构如图3所示，其几何参数选取及计算过程如下。

根据汽轮机管道流速计算得焊接斜三通母管内径ID=500 mm，支管内径id=350 mm，夹角β取60°。

根据管道规范，母管理论壁厚T01：

支管理论壁厚t0：

图3 焊接斜三通结构及几何参数示意

根据计算后的理论壁厚，选取试验数据集及无量纲参数如表2所示。

表2 管道尺寸数据

4.3 焊接斜三通分析计算

本文拟采用FEATools分析软件，选取FESIF和NozzlePRO两种不同的分析手段分别计算焊接斜三通的SIF，并与ASME B31.3和WRC329规范的计算结果进行对比分析，其结果如表3所示。为更加直观地反映焊接斜三通几何参数与SIF的关系，对其结果进行离差标准化处理，结果如图4所示。

表3 不同分析方法SIF计算结果

注：IN表示平面内应力增大系数；OUT表示平面外应力增大系数

图4 不同分析方法对应的应力增大系数与无量纲参数的关系

由图4可以看出，根据经验公式计算得到的焊接斜三通的SIF与有限元分析FEATools结果存在较大差异，这主要是因为，ASME B31.3 和WRC329的公式计算使用的经验公式是通过有限的疲劳试验数据拟合得到的，并且未考虑多种实际影响因素(如有无加强或补强、焊接形式、管系布置)，因而计算结果偏保守，且平面外与平面内的SIF相差不大，这与实际情况并不相符，以致于SIF选取不当而造成管系校核不满足要求，往往通过增加壁厚、采取补强措施和改变焊接形式使其满足要求，这将增加设计和制造成本。进一步对表3和图4分析可知，有限元分析方法计算的SIFIN值均小于ASME B31.3 和WRC329计算的SIFIN和SIFOUT值，从而使ASME B31.3和WRC329计算的SIFIN和SIFOUT随无量纲参数增大或减小时，其变化幅度小，且二者之间的差值变化较小，采用有限元FEATools分析方法的SIFIN和SIFOUT随无量纲参数增大或减小时，其变化率幅度较大，且二者之间的差值范围大，变化也大。

由表1可以看出，ASME B31.3和WRC329对焊接斜三通的应力增大系数没有给出详细的计算方法，焊接斜三通的几何参数θ对尺寸系数K的影响也无相关说明。为了深入研究角度θ对SIF的影响，本文随机选取样本5，给定不同的角度θ，采用有限元分析方法FEATools计算分析SIF与θ的变化规律，其结果见图5。

图5 不同分析方法对应的SIF与角度θ的关系曲线

由图5可以看出，平面内应力增大系数SIFIN随角度θ的不断增大而增大，平面外应力增大系数SIFOUT随角度θ的不断增大而先增大、后减小，且当角度θ增大到某一值后，SIFOUT小于SIFIN，这与SIF的特性相矛盾，因此建议焊接斜三通的角度选取范围为：[0°～45°],同时也验证了焊接斜三通补强原理中关于角度取值的合理性。进一步分析可知，焊接斜三通的角度θ在一定范围内变化对SIF的影响很小，当超过某一值后，SIF将发生明显变化，因此设计焊接斜三通时，在设计结构允许的条件下，应选取合适的角度，减小角度对应力增大系数的影响。

4.4 焊接斜三通补强分析计算

在对焊接斜三通有限元分析选取较优的SIF时，计算过程需遍历其不同的几何参数，而此过程耗时较长且无针对性。因此需通过焊接斜三通的补强分析原理，简单计算焊接斜三通的强度，在焊接斜三通强度满足的条件下进行有限元分析，将大幅度提高有限元分析计算的效率，且保证选取的可靠性。

根据第2部分关于焊接斜三通补强计算方法对样本数据进行补强计算，结果如下：

从计算结果可知，样本1～样本4不满足补强判断条件，需对结构进行优化或采取补强措施使其满足要求；样本5～10这6个样本的结构不需进行更改或补强就能满足焊接斜三通的静态承压强度要求。对满足要求的样本5～10按照应力增大系数模型进行有限元分析后，综合考虑管系焊接斜三通的结构、布置形式和经济成本后，焊接斜三通几何结构如图6所示。将合适的SIF应用于管道系统的应力分析中，根据压力容器设计规范对管道系统进行分析评估，并进一步优化高温高压管系中焊接斜三通管件及配管的设计选型。

图6 中压主汽管焊接斜三通结构示意

5 结语

高温高压管系的应力分析和安全性校核对保证机组安全、稳定、可靠运行至关重要，而管系中局部管件的应力增大系数的选取，将很大程度影响整个管系应力分析的结果与评定。本文在分析焊接斜三通几何参数的基础上，应用有限元分析软件FEATools对焊接斜三通的应力增大系数SIF函数进行建模分析，并与ASME B31和WRC329计算结果相比较，定性阐述分析了模型参数λ,η,ζ,β对焊接斜三通SIF选取的影响。进一步结合焊接斜三通补强分析计算方法，提高了有限元分析方法选取焊接斜三通的SIF的效率和可靠性，使其结果更符合焊接斜三通管件实际应力情况，从而为高温高压管系焊接斜三通的结构设计与选型提供参考。在后期工作中，需要进一步对应力增大系数函数进行深入研究，以期能定量分析模型参数λ,η,ζ,β,ξ对SIF的影响，提高SIF选取的准确性、可靠性和有效性。