90°支管座的结构问题和补强计算

郭顺显，应道宴

（1. 江阴市南方管件制造有限公司，江苏 江阴 214437；2. 全国锅炉和压力容器标准化技术委员会管道分会，上海 200040）

支管座标准GB/T 19326—2012[1]实施以来，收集到的反馈意见主要反映了两个方面的问题，一是部分规格的90°支管座由于外径偏大、本体厚度偏厚，导致在安装时的过度焊接；二是对45°支管座、弯头支管座、法兰支管座和薄壁支管座等品种的使用日渐增多，而标准对此尚无规定。针对支管座标准实施以来的反馈意见，建议在标准修订中解决。本篇主要讨论第一个问题。为叙述方便，文中提到的支管座均指对焊90°支管座。

1 支管座的开孔结构

如图1 所示，2012 版标准中支管座的内部几何形状由锥孔和直孔两部分构成。

图1 内部带锥孔的支管座Fig.1 Outlet with internal taper hole

锥孔形状的设计初衷是考虑降低管道内流体在分支转弯处产生的应力，起到类似于挤压成形三通分支处对流体应力的改善作用。

事物往往具有两面性。与主管连接处的锥孔在降低分支部位应力的同时，主管开孔尺寸d1也增大，需要支管座提供的补强面积也相应增大。为满足主管开孔部位的补强要求，支管座的本体厚度t需要增大，故本体外径D1也相应增大，由此引起部分规格的支管座在与主管焊接时热输入过大，可能会导致主管局部焊接应力过大的后果或与主管焊接部位处发生变 形。

2012 版（包括之前的2002 版）标准的支管座其结构和主要尺寸参考了MSS SP-75[2]标准和Bonney Forge 公司之前的产品样本，并对一些规格的支管座进行了设计验证试验和强度计算[3]。

鉴于部分支管座安装中出现的情况，建议修改开孔结构，将锥孔变为直孔，缩小主管开孔直径，减少需要的补强面积，使支管座的厚度与本体外径相应减小，以期解决焊接安装时出现的问题。

在此期间发现Bonney Forge 公司网页上商标为WFI 的支管座产品样本[4]中亦将锥孔修改为直孔。这似乎也说明了带锥孔的内部几何结构引发的问题不是个案，已引起专业制造商的注意并变更了产品内部几何结结构设计。

建议修订后的支管座的结构见图2，去除了锥孔部分，将内孔变为直孔。

图2 内部为直孔的支管座Fig.2 Outlet with straight hole inside

2 支管座的补强计算

2.1 补强计算的条件

支管座的内部结构修改为直孔后，主管开孔尺寸变小，需要支管座提供的补强面积也相应减少，支管座的厚度、本体外径尺寸将发生变化，应按补强计算、应力分析或设计验证试验的结果在标准中给出支管座的相关尺寸，以方便设计、制造和检验对标准的使用。其中补强计算是相对保守且简便的一种方法，故建议采用补强计算的方法确定标准中支管座的相关参数。

对于管道工程中的个案，在已知条件包括了材料、设计压力、温度、腐蚀裕度、所连接主管和支管厚度等参数的情况下，按照适用的设计规范，可完成支管座提供补强所需要的本体厚度与外径等相关尺寸的计算。

对于拟修订标准中的支管座，在无法明确这些已知条件的情况下，要从众多相关规范中选择适用的计算方法从而得出相关结果，是需要重点解决的问题。

在补强计算时，根据相关标准的限定，同时为简化计算，应考虑以下条件：

（1） 所连接的支管壁厚代号（例如STD、XS、Sch160 或XXS）与主管壁厚代号相一致，即不同公称尺寸的支管与主管的壁厚按同一壁厚代号所示的壁厚值选取；

（2） 所连接的主管公称尺寸限定在一定范围之内；

（3） 负公差设定为0；

（4） 腐蚀裕度设定为0；

（5） 所连接的支管计算厚度按支管与主管相同的厚径比tb=Db（Th/Dh）计算：

（6） 在限定的主管公称尺寸范围内采用最小补强裕量时的数据，即按极限补强条件确定本体厚度和外径；

（7） 补强面积仅从支管座本体的多余面积加上与主管焊接相连的敷熔金属所形成的焊缝面积处取得，主管提供的多余面积因无法确定，故不予考虑；

（8） 为保持与原标准的延续性和与MSS SP-97标准的通用性，补强区高度L应尽量适应标准规定的产品结构高度A。

2.2 补强计算的方法

在相关规范提供的开孔补强计算中，支管直接焊于主管上的等面积法和整体加强的挤压成型出口的等面积法在GB/T 20801.3[5]、ASME B31.1[6]和ASME B31.3[7]等规范中均有详细描述；另外，在ASME BPVC VIII .2[8]和BS EN 13480-3[9]等规范中也提供了压力面积法或压力面积加应力计算法等开孔补强的计算方法。

显然，对于通用的标准支管座，在不明确管道工程中个案参数的情况下，其补强计算只能采用等面积法。

分析发现，在无法考虑主管多余面积的前提下，补强区高度L的大小将直接影响支管座本体厚度与焊缝所提供的补强面积是否够用。也就是说这种补强计算希望有一个相对较大且尽量适应支管座结构高度A的补强区高度L。

有关文献 [10]研究表明，等面积法和压力面积法的计算原理实际上是完全相同的，即主管开孔去除的截面积由规定补强范围内的其他多余金属截面积来补偿，两者的差别仅在于对补强范围设定的不同。

根据这一研究结论，采用了上述规范中提供的不同补强区高度公式按等面积法分别计算，并进行计算结果的对比。

2.3 补强计算的结果

以厚度STD 的计算为例，依据上述规范中的补强区高度公式，采用等面积法计算的等于或大于DN15 的支管座本体外径见图3，补强区高度见图4。作为对比样本，图3 中同时列出了Bonney Forge 公司WFI 商标的本体外径和2012 版标准的本体外径。WFI 的样本中说明了支管座的尺寸是按照设计验证试验结果所确定的。

图3、图4 中补强区高度的符号使用了各规范的原符号：

图4 厚度为STD 的支管座补强区高度对比图Fig.4 The height of reinforcement zone contrast of outlet with STD WT.

L4—— GB/T 20801.3、ASME B31.1 和ASME B31.3 中支管直接焊于主管上的补强区高度；

L5—— GB/T 20801.3、ASME B31.1 和ASME B31.3 中整体补强的挤压成型出口的补强区高度；

LH—— ASME BPVC VIII .2 的4.5.5 中圆柱形壳体上径向管嘴的补强区高度；

lb—— BS EN 13480-3 的8.4.3 中开孔和分支连接的补强区高度。

因WFI 样本中无DN90 和DN125 的尺寸，为保持折线的连续，图3 中的这两个尺寸为酌情加入。需要说明的是，WFI 样本中STD 与XS 的本体外径相等，Sch160 与XXS 的本体外径相等。

图3 厚度为STD 的支管座外径对比图Fig.3 The O.D. contrast of outlet with STD WT.

根据表中STD 厚度按不同补强区高度计算的数据对比如下（因篇幅所限，以下对比中提及的其他厚度计算的内容未在文中列出图表）：

L4—— 补强区高度数据与标准规定的结构高度差距过大；部分规格的本体外径大于原标准规定值。故不适用。

L5—— 补强区高度与标准规定的结构高度相适应；本体外径小于原标准规定值（其他厚度的计算中除小部分规格略大于原标准规定值外，均小于原标准规定值）。但因规范中说明这一方法用于挤压成型出口的补强，为避免在概念上的争议，故未采 用。

LH—— 部分规格的补强区高度与标准规定的结构高度不相适应（在其他厚度的计算中多数规格的补强区高度远大于标准规定的结构高度，如调整的话，计算后本体外径将增大许多）；本体外径小于原标准规定值。因补强区高度相差过大的问题，故不宜采用。

lb—— 部分规格的补强区高度值略大，需要调整以适应标准规定的结构高度；本体外径小于原标准规定值（厚度Sch160 的部分规格略大于原标准规定值）。对部分规格的补强区高度重新调整计算以适应标准规定的结构高度后，建议采用。

3 结论

（1） 在拟修订的支管座标准中，建议将支管座内部的锥孔修改为直孔，用缩小主管开孔直径的方式来减少所需要的补强面积，使支管座的本体外径与厚度相应减小，尽量避免过度施焊的问题。

（2） 建议采用部分规格调整后的补强区高度lb计算的支管座本体外径，可在减少大部分规格的本体外径的同时适应与原标准和MSS SP-97 规范的产品结构高度规定，以保持与原标准的连续性和与国外通用标准的一致性。

（3） WFI 样本中说明了产品数据是按照设计验证试验结果确定的。从与国外专业制造商的同类产品参数对比方面来看，按lb计算的支管座本体外径尺寸与WFI 样本的本体外径尺寸的相近性也证明这一计算是安全的。

（4） 根据现场焊接安装的现状，建议在标准修订中增加焊接指南的内容，并在其中对支管座的本体壁厚大于主管壁厚两倍时给出焊接建议。通过进一步测算表明，大部分规格的支管座与部分尺寸范围内的主管连接时，在不用完全焊满的情况下也能满足补强要求，这一测算结果将对防止焊接时的主管变形和减少焊接工作量有较大意义，关于这一内容将另文叙述。