大型筋板加强Y形三通应力分析

吴林　高宏坤

【摘要】应用ANSYS软件对一大型筋板加强Y形三通在内压作用下应力分布情况进行了计算和分析，得到了其应力分布规律。简述了使用有限元分析软件进行计算和分析的思路、基本步骤及应力强度评定方法。同时对比了同等参数条件相同尺寸下无筋板加强Y形三通的应力分布结果。结果表明采用筋板加强Y形三通可有效减少三通相贯线处的应力集中，从而增强其整体承载内压的能力，提高该类三通在工程应用中的安全可靠性。

【关键词】筋板加强；Y形三通；应力分析

1、前言

现有国内标准成型三通，不论是国家标准（GB/T12459-2005）还是化工部行业标准（SH3408-2012）均为正交三通。在某项目工程设计中，由于工艺参数条件特殊，需在管道上设置一个大型Y形三通。三通在工程应用中最常见的问题是主管与支管相贯处的连接焊缝开裂而引起泄漏[1]，经各专业方案设计过程沟通协调，确定采用筋板加强Y形三通结构，以减少相贯线焊缝处的应力集中。为验证该三通的强度和结构的合理性，特进行了有限元分析，以求得其在内压作用下的应力分布结果。同时，笔者对同等参数条件相同尺寸下无筋板加强Y形三通的应力分布结果进行了对比。

2、模型的建立及边界条件设定

该三通主支管尺寸均为Ф1828×14mm，加强筋板厚50mm，筋板连接处选用圆钢Ф150mm加強，材质均为Q245R，弹性模量197GPa，泊松比μ=0.3，设计压力0.6MPa，设计温度为100℃，对应设计应力强度 Smt=147MPa。

采用ANSYS 12.1 Workbench有限元分析软件进行分析计算，在建模上考虑到结构、外载及约束上的对称性，取1/4模型进行分析计算，在网格划分上采用三维20节点六面体单元solid186，为确保计算结果的精确性，对整个模型网格采用映射划分，并对三通相贯线部位的网格进行局部加密。网格划分情况见图1。

该三通模型在应力分析计算中，只考虑承受内压作用，不计外载、自重或疲劳振动等情况。设置边界条件为：两个剖切面上施加对称约束（X、Y方向），在主管远端某一节点上约束Z向位移为0；在模型内表面施加工作压力0.6MPa，在主支管横截面上施加轴向等效拉应力19.1MPa[2]。

3、应力分类及强度评定

三通属于大开孔结构，由计算得到的应力云图（图2）可以看出：无筋板加强Y形三通最大应力集中点出现在三通腹部相贯线附近，而采用了筋板加强的Y形三通因为圆钢及筋板在腹部相贯线附近的加强作用，最大应力集中点位于900角相贯线内侧。在工作条件下，最大应力集中点处最有可能产生屈服。依据JB4732-1995《钢制压力容器-分析设计标准》的方法观点，结构中的一点或局部进入塑性屈服并不一定导致破坏，各种应力对其强度的影响各不相同，可按应力性质影响范围及分布状况将应力分为一次应力、二次应力和峰值应力并对不同类型应力应用不同的准则来判别[3]。该三通所受载荷并非周期性载荷，因此可能产生破坏影响的是一次应力和二次应力，而峰值应力的影响可以不考虑，在评定时只需满足两项应力限制条件即可。

在最大应力点附近设置了多条从内壁贯穿外壁的路径对其进行应力线性化处理，并分别选取一条典型路径得到的局部薄膜应力SⅡ以及薄膜加弯曲应力SⅣ结果见图3，图4。可以看出：薄膜加弯曲应力SⅣ均在内壁出现最大值，在筋板加强Y形三通相贯线处，局部薄膜应力SⅡ=97.6MPa小于其强度许用极限1.5stm=220.5MPa；薄膜加弯曲应力SⅣ=107.8MPa小于其强度许用极限3.0stm=441MPa，均满足强度要求可评定合格。而在无筋板加强Y形三通相贯线处，局部薄膜应力SⅡ=478MPa；薄膜加弯曲应力SⅣ=612MPa；均不能满足强度要求。对比可见采用筋板加强结构可有效减少Y形三通相贯线处约80%应力强度值，从而增强其整体承载内压的能力。

4、结论

通过对比上述两种应力分析结果可见：采用筋板加强Y形三通可有效减少三通相贯线处的应力集中，从而增强其整体承载内压的能力，提高其在工程应用中的安全可靠性，为该类三通的工程应用提供理论依据和参考示例。

参考文献

[1]方小里等.电站辅机[J].2014，35（1）：27-29.

[2]李建国.压力容器设计的力学基础及其标准应用[M].北京：机械工业出版社，2004：103-136.

[3]JB 4732-1995.钢制压力容器-分析设计标准（2005年确认）[S].

作者简介

吴林（1982-），男，汉族，2002年取得中国石油大学焊接工艺及设备专业学士学位，2006年取得中国石油大学材料学专业硕士学位，2006年开始在长岭炼化岳阳工程设计有限公司设备室从事压力容器设计及有限元分析计算工作，工程师，已发表论文2篇。