鋼制冷擠壓斜三通的失效壓力分析

林 波，薛 勇，張 軍，侯 淬

1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司，河北廊坊 065000

2.中國石油管道局工程有限公司第四工程分公司，河北廊坊 065000

3.中國石油工程建設(shè)有限公司西南分公司，四川成都 610000

4.中國石油管道局工程有限公司第三工程分公司，河南鄭州 451450

三通管件廣泛應(yīng)用于石油化工、石油天然氣、液化氣、化肥、電廠、核電、造船、造紙、制藥、食品衛(wèi)生、城建等行業(yè)工程的建設(shè)和檢修，其主要用于改變流體方向，通常安裝在主管道與分支管處。由于斜三通為非標(biāo)準(zhǔn)件，沒有現(xiàn)成的設(shè)計計算公式。本文采用爆破試驗法進(jìn)行試驗并結(jié)合有限元法對冷擠壓斜三通產(chǎn)品進(jìn)行失效應(yīng)力分析，為行業(yè)生產(chǎn)提供理論計算依據(jù)及思路[1-11]。

1 冷擠壓斜三通工藝及優(yōu)點

1.1 工藝簡介

按斜三通管件圖紙設(shè)計、制造胎具，將胎具固定在油壓機(jī)的上下平臺，將鋼管放入胎具內(nèi)而后向管內(nèi)注滿水，再開動油壓機(jī)使上下胎具合模并對鋼管兩端進(jìn)行擠壓，在油壓機(jī)兩端軸向力和管內(nèi)高壓水力的共同作用下，鋼管在胎具內(nèi)向支管處逐漸鼓起，直到設(shè)計的尺度。成型后將斜三通管件從胎具內(nèi)取出，割掉支管的管帽，然后按鋼管的材質(zhì)進(jìn)行熱處理，最后按圖紙對斜三通管件進(jìn)行機(jī)加工即可得到鋼制無縫斜三通管件。

1.2 優(yōu)點

冷擠壓斜三通相比焊接斜三通，主管與支管相貫處無明顯的相貫線，因此應(yīng)力集中效應(yīng)小。無需現(xiàn)場預(yù)制，方便使用。冷加工后一般只需要進(jìn)行去應(yīng)力熱處理就能滿足材料性能要求。

2 水壓爆破試驗

2.1 壁厚測量

本文分析的斜三通如圖1所示，選取10個代表性測點進(jìn)行壁厚測量，如圖2所示，測量結(jié)果如表1所示。

圖1 冷擠壓斜三通示意

圖2 測厚點布置示意

表1 冷擠壓斜三通壁厚測量值

2.2 試驗過程及結(jié)果

斜三通整體屈服前的升壓級別為0.5 MPa，升壓速率不超過0.1 MPa/s。每個升壓級別觀察60 s，至讀數(shù)穩(wěn)定后再繼續(xù)升壓。最終得到如圖3所示的爆破試驗壓力-升壓時間曲線。

圖3 爆破試驗壓力-升壓時間曲線

從圖3看出，當(dāng)升壓至3 MPa時發(fā)生了第一次局部屈服，經(jīng)過變形協(xié)調(diào)，到6 MPa時發(fā)生了第二次局部屈服，至8 MPa時整體屈服過程完成，開始材料硬化階段，最后至38 MPa時爆裂。

3 有限元計算

對于該非單一圓筒結(jié)構(gòu)斜三通的設(shè)計壓力取值，采用有限元方法進(jìn)一步分析確定。

3.1 計算參數(shù)

45°冷擠壓等徑斜三通的材質(zhì)為20鋼，規(guī)格為D325mm×14 mm（綜合考慮測厚點的受力區(qū)域，選取計算壁厚為14 mm），小圓角半徑80 mm。設(shè)計溫度20℃，設(shè)計壓力P=4.0 MPa。彈性模量E=2.01×105MPa，泊松比v=0.3，設(shè)計應(yīng)力強(qiáng)度Sm=158 MPa。

3.2 建模及邊界條件

按實體形狀及參數(shù)建模，由于模型為對稱結(jié)構(gòu)，所以簡化為1/2模型。選用3維8節(jié)點固體結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，沿厚度方向劃分為3層，見圖4。

圖4 有限元模型及網(wǎng)格劃分

按試壓工況進(jìn)行計算，在對稱面上施加對稱約束，施加一個4.0 MPa的內(nèi)壓載荷。

3.3 有限元計算結(jié)果

采用彈性應(yīng)力分析方法進(jìn)行分析，強(qiáng)度計算結(jié)果見圖5，從圖5看出，斜三通的最大Von Mises（VM）應(yīng)力發(fā)生在中間紅色區(qū)域。

圖5 有限元應(yīng)力強(qiáng)度計算結(jié)果/MPa

3.4 應(yīng)力分類評定結(jié)果

依照J(rèn)B 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》對斜三通進(jìn)行應(yīng)力分類評定。確定兩個準(zhǔn)危險截面，即最大VM應(yīng)力點處及小圓角處，截面及路徑見圖6～圖9。

圖6 切割的最大VM應(yīng)力點處危險界面/MPa

圖7 最大VM應(yīng)力點處路徑1（壁厚方向）

圖8 小圓角處危險界面切割/MPa

圖9 小圓角處路徑2（半徑及壁厚方向）

該斜三通符合JB 4732第3.10.1條、第3.10.2.1款及第3.10.2.2款疲勞分析的免除，路徑1為總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，應(yīng)力分析組成為Pm、Pm+Pb+Q[3]。路徑2小圓角處為局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，應(yīng)力分析組成為PL、PL+Pb+Q。評定結(jié)果見表2。

表2 各路經(jīng)應(yīng)力分類結(jié)果

4 結(jié)論

借助有限元分析，應(yīng)力分類法二次應(yīng)力局部性和自限性很好地詮釋了爆破試驗曲線局部屈服壓力變化。即當(dāng)一次升壓至第一次局部屈服壓力3 MPa時，不會使結(jié)構(gòu)失效。采用彈性應(yīng)力分析法確定本斜三通的設(shè)計壓力為4.0 MPa，即失效壓力發(fā)生在爆破試驗過程中一次局部屈服壓力和二次局部屈服壓力之間。