焊制三通的应力分析

方小里，刘彬超，吴久江

（哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046）

0 概 述

三通联接件是压力容器和压力管道系统中常用的受压管件，如果三通联接件失效破坏，容易导致整个管路系统的瘫痪，因此，在工程设计中，应对焊制三通的强度计算引起重视。由于三通的结构特殊，主管与接管相贯通，这相当于在圆柱筒体上开大孔，这种焊接结构使应力分布较复杂。在石油化工行业中，普遍采用了大直径的焊制三通，所以，研究焊制三通的应力分布规律，在工程设计中具有实用价值。

1 结构参数

三通结构由1个主管和1个支管组成，如图1所示。钢管材料为20号钢（GB9948），材料的设计温度为200℃，许用应力为 ［σ］＝131 MPa，泊松比ν＝0.3其他材料参数，如表1所示。表1中序号1～2是2种不同压力下的等径三通，序号3～4是2种不同压力下的非等径三通。

图1 三通结构简图

表1 三通的结构参数表

2 模型边界条件

为了便于分析，将三通简化为两个理想圆柱体正交相贯的结构，且不考虑焊缝加强的影响。由于三通结构和载荷的对称性，取模型的1／4进行分析，单元类型选用实体单位solid92。

主管左端面限制X、Y、Z三向位移，右端面限制Y、Z向位移，只允许端面的轴向位移，支管上断面限制X、Z向位移，只允许轴向位移，在对称面上施加对称边界约束。为了消除端部约束对计算部位的影响，支管及单侧主管的长度取2倍管径。

在主管及支管的内表面施加内压（按表1），横截面上施加由于内压引起的等效截面拉力。等效截面拉力的计算公式如下：（具体数值见表1）

式（1）中：P —等效截面拉力，MPa；

Pc—计算压力，MPa；

Do—管子外径，mm；

Di—管子内直径，不计材料负偏差，mm。

对三通的有限元模型进行网格划分时，应根据应力梯度大小，确定网格的疏密程度。适当地增加主、支管相贯区的单元格密度，在距离相贯线较远的主、支管端部，划分的网格相对稀疏。

3 结果与分析

应力计算结果，如图2所示。图2中（a）、（b）分别为Ø273×11mm、Ø273×9mm等径三通的应力分布云图，图2中（c）、（d）分别为主管 Ø273×11 mm与支管Ø219×9mm、主管Ø273×9mm与支管Ø219×8mm异径三通的应力分布云图。

图2 应力分布云图

由图2的应力分布图可知，在三通主、支管相贯连接区域有严重的应力集中现象，且肩部的应力比腹部的应力大，最大应力点发生在肩部的内壁，此处为危险部位，容易出现裂缝，发生局部屈服等破坏形式，宜采用较合理的焊缝结构，改善其受力状态。对比等径三通和异径三通的应力分布云图可知，异径三通的受力状况比较恶劣。

由于三通内外表面各点均处于复杂的应力状态，为得到更详细的应力分布特性，可将主应力分解后求得等效应力。选取应力最大处的长轴截面，确定适当的评定线，采用线性分析法对三通的应力分布进行研究。评定路线的划分，如图3所示。评定路线的位置分布在支管和主管各部，选取13个路径进行分析。

图3 评定路线位置

等效应力的分布，如图4所示。图4中（a）、（b）分别为Ø273×11mm、Ø273×9m等径三通沿路径的应力分布曲线，图4中（c）、（d）分别为主管Ø273×11mm与支管Ø219×9mm、主管Ø273×9mm与支管Ø219×8mm异径三通沿路径的应力分布曲线。

图4 应力分布曲线

由图4中（a）可知，三通上各点应力随着所处管壁位置的不同而不同。在远离主、支管相贯处，应力分布基本和直管处应力相同，内壁应力约52MPa，外壁应力约32MPa；三通的内外壁应力在相贯处发生波动，均产生较大的应力梯度，且在路径7出现峰值应力，内壁应力约245MPa，外壁应力约148 MPa。说明最大应力点发生在三通肩部的内壁侧，且肩部的应力水平大约为直管处应力的5倍。

由图4中（a）可知，膜应力在路径5和9之间突然增大，因此处的结构发生改变，应力分布不均，引起很大的局部薄膜应力。内壁弯曲应力在路径3之后逐渐升高，在路径7达到峰值，然后应力开始降低，到路径10之后，应力值基本趋于平稳，因为在管内压力的作用下，过渡区的倒角处发生变形，向外扩张。外壁弯曲应力在路径5、7、9处产生负值，这是因为在内压力的作用下，内壁扩张，外壁压缩。图4中其它图形的应力分布趋势与（a）相同，说明三通的危险区发生在主、支管的过渡区。

对比图4中（a）、（b）与图4中（c）、（d）的应力分布曲线可知，当主管直径相同时，异径三通的受力状况比等径三通的受力状况更为恶劣。当主管的各项参数相同时，压力及管壁厚度越大，最大应力的峰值就越高。

4 结 语

（1）有限元的分析结果表明：在焊制三通相贯线位置附近的应力集中严重，其应力值比直管段位置处的应力值高出约5倍。三通肩部的应力比腹部的应力大，且应力最大点发生在三通肩部的内壁。因此，在焊制三通的制造过程中，宜在肩部和相贯线处采用合理的焊缝结构，改善受力状况，提高焊制三通的承压能力。

（2）利用ANSYS有限元软件，将焊制三通应力计算的结果进行线性化处理，分解为薄膜应力、弯曲应力和峰值应力。计算的结果表明：3种应力值在相贯线位置均有较大的波动，且在某些部位出现了应力最大值。在管内压力的作用下，因管外壁的弯曲使管内壁扩张，管外壁因而产生了压缩现象，也使过渡区的管外壁弯曲应力产生了负值。

（3）异径三通的受力情况比等径三通的受力情况更为恶劣。当主管参数相同时，管壁的厚度越大，焊制三通的最大应力值越高。