管道带压开孔及三通应力分析设计

管道广范应用于动力、石油、化工、轻工、治金、机械等部门，是许多管道运营企业和工厂生产的重要组成部分。随着现代化大工业的发展，管道技术逐渐为人们所重视，管道的应力与分析，是管道的设计分析与制造的基础，也是对管道作出强度和安全评价的依据。为了满足使用需要，管道上经常需要开孔接管或连接三通，这样就造成了管道及管线的不连续性，局部存在应力集中。由于管道开孔接管和三通结构复杂，对管道的应力分析依托三维造型软件和有限元分析软件，很容易得出管道开孔和三通的应力分布图。阅读了《机械设计与制造》2007年7月《管道开孔接管和三通设计及应力分析》的文章，对我们实际的带压开孔工程有所帮助和一些感悟，下面进行简要介绍：

管道开孔及三通的常见结构为跨管道式平行结构，也是人们常说的马鞍三通。普通的管道开孔和三通结构，管径、壁厚相同；有时为增强三通的强度，增大连接处的壁厚，以减小应力集中的大小，提高管道的强度。

管道的开孔和三通在承受内压下会引起局部应力集中，一般在孔边最高。目前在各国的设计标准和规范中，采用在开孔边沿进行补强或局部加厚管壁，以减少应力集中系数，在管道开孔接管和三通的经验设计分析中，没有进行单独的验算，仅凭经验进行。目前管道的开孔的三通设计有多种原则，如等面积补强；极限分析补强法；安定分析补强；压力面积法。这些分析方法都是近似的根据经验分析和评估，带有一定的局限性。

管道开孔和三通结构应力分析的边界条件，首先在三通端部施加固定约束，以限制弯管的刚体位移；在管道的对称边界上施加对称约束。三通的载荷包括三通内壁的压力端部的附加弯矩。

运用软件分析时，管件的材料选用12CrMoV,该管材为火电厂、核电厂常用热力管道材料，其机械性能为：强性模量：E=2.12X10⁵MPa,泊松比v=0.3。管道和接管的管径取Ф176mm，壁厚各处一致，为8mm，从应力分布图可看出，管道开孔和三通应力分布均不均匀，在连接处的内侧，出现了比较大的应力集中，是极易破坏的区域，经对比分析，其值比不开孔的直管上的应力增加了30%左右。

文中提到了，结构尺寸参数对管道开孔和三通应力的影响分析，在其它条件不变的情况下，改变开孔孔径的大小以后，应力有所变化。管径增大后，应力分布基本没有变化，但连接处的应力集中增大了，因此对于孔径比较大的管道，在管道上开孔和连接三通时，应特别注意应力集中的影响，以提高管道的寿命。在开孔处增大壁厚以及管道开孔和三通在连接处增大壁厚以后，应力分布略有改变，变化不大，但应力集中数值减少了很多。所以进一步分析证实，管道开孔和三通可以通过在连接处增大壁厚以减少应力集中是正确的。随着壁厚的增大，应力集中不断减少，但这样也增加了管道的重量，所以在管道开孔和三通的设计中规定，一般壁厚增大的值与开孔去除的材料相一致，以保证管道重量基本不变。

在带压开孔和三通在连接处由棱角变为圆孤以后，应力集中值减小。因此，管道开孔和三通可以通过改变连接处结构形式的办法减小应力集中，但这也给加工带来了一定的难度。

当管道上开孔和三通的管径小于直管的管径时，应力集中相对于等直径的管道开孔和三通的应力集中值也相应减小。

1、管道开孔和三通使管道产生了较大的应力集中，且应力集中主要发生在连接处，随着管径的增大，应力集中的增加值越大。

2、通过在管道开孔和三通的连接处增大壁厚，或改变连接处的结构形状，可以使应力集中减小，且随壁厚的增大和连接过圆孤半径的增大，应力集中越小，所以可通过增大连接处管道壁厚或连接过渡弧半径的方法，减少管道开孔和三通的应力集中系数，以增强管道的强度，延长管道的寿命。

3、管道开孔及三通的正确安装也会减少应力集中现象，严格按照《天津先锋管道带压开孔流程》TJXF-DYKK01中规定进行螺栓的紧固步骤，否则容易出现泄漏或使管道失效。

4、阀门安装时，也会造成管道应力集中的增加，因此，在阀门安装后，为了减少对管道应力影响，要采取一定的措施固定和稳固措施，具体方法请详细参阅《天津先锋管道带压开孔流程》TJXF-DYKK01。

参考文献

1、《管道开孔接管和三通设计及应力分析》 《机械设计与制造》2007年7月

2、《天津先锋管道带压开孔流程》TJXF-DYKK01