壓力管道開孔補強分析

胡長慶陳凌

（中冶賽迪公司動力設計部動力研究室重慶400013）

［摘要］針對冶金行業大管道開孔的補強，本文通過Ansysll.O對冶金行

業中常見的人字接管和斜接管進行了補強分析，詳細比較了不同補強方式

對接管結構應力集中的阻礙，為冶金行業接管補強的選擇提供了理論依據,

具有較為重要的意義。

［關鍵詞］人字接管斜接管等面積補強操縱變形補強

1引言

管道結構廣泛應用于冶金、動力、石油、化工及機械等行業，是許多

工廠的重要組成部分。為了滿足使用需要，管道上通常需要開孔接管或連

接三通，如此就造成管道的不連續，局部存在應力集中。

關于冶金行業來講，存在大量管道與管道之間的斜接以及連通結構，

這些結構形式相對比較復雜，在研究中除了考慮載荷工況、直徑大小外，

還需要考慮接管交角對結構強度的阻礙，目前對其的應力分析要緊靠體會

進行［1,2,3］；另外，冶金行業里的接管大都直徑較大，管道開孔相貫處的強

度削弱極為明顯。因此，研究管道開孔的補強，是具有較為重要的實際意

義的。本文以兩個工程實例［4,5］為對象，對冶金行業中常見的人字接管和

斜接管的開孔補強進行了詳細的分析，為冶金行業接管補強的選擇提供了

理論依據。

2研究背景

開孔補強設計是壓力容器設計［6］中的一個重要部分，開孔除削弱器壁

的強度外，在殼體和接管的連接處，由于結構的連續性被破壞，會產生專

門高的局部應力集中，導致該區域薄弱而易發生失效，給壓力容器的安全

運行帶來隱患甚至顯現事故。在冶金工程的管道設計中，管道往往開孔確

實是大開孔，或者接管主管等直徑，或者接管比主管略小，在這些情形下,

接管和主管的相貫處強度削弱極為明顯［7］。

圖1為寶鋼工程中煤氣管道兩種典型的接管方式示意，（a）為人字接管,

（b）為斜接管。圖中（a）、（b）所示接管均為大直徑接管，（a）中利用人字接管將

DN2200的大管分成兩段DN1200的小管，(b)中利用DN1600的30°斜接

管連接DN1800和DN1600的兩段管道。

在實際的工程應用中，圖1(a)所示人字接管在接管相交的“褲襠”處顯

現極高的應力，圖1(b)所示斜接管在斜接管與小管相交的銳角端顯現斷裂

事故，事故發生位置如圖1所示。

為分析上述兩種事故的緣故，本文以ansysll.O為工具，對圖1所示的

兩種接管進行了應力分析，在此基礎上，全面詳細的比較了工程上各種補

強方式的成效，為冶金行業接管補強的選擇提供了理論依據，具有較為重

要的工程實際意義。

(b)

圖1煤氣管道接管兩例

3事故分析

針對圖1所示的兩類接管(a)、(b),利用ansysll.O進行了應力分析，分

析結果表明：1)對圖1(a)的接管形式，最大應力顯現在接管相交的“褲襠”

處，變形的最大處不和最大應力處重合，顯現在沿相貫線回轉約90。的地

點，即圖(a)中的“肚臍”鄰近，其發生的機制為管道在內壓作用下的“趨

圓”變形特點。2)對圖1(b)的接管形式，在接管處的銳角部位，顯現了專

門高的應力集中，最大應力處和事故位置一致；變形的最大處顯現在接管

相貫處，部位為最大應力處沿相貫線回轉約90。的鈍角部位鄰近，該部位

在“內壓趨圓”時明顯是最易變形。

上述分析表明，關于人字接管和斜接管而言，由于幾何結構不連續，

管道壁厚不足，在承擔應力的情形下產生了較大的應力集中，導致斷裂，

運算結果和實際的事故情形是吻合的。

上述兩種接管形式局部應力專門高，故須做適當的開孔補強以降低接

管區域的應力集中。本文先從傳統的等面積法入手，在補強成效欠佳時再

著眼于操縱變形來操縱應力，成效明顯。

4等面積補強法

管道的開孔補強傳統上多采納等面積法，其方法是：對開孔而被削弱

的部位補強加厚，補焊的面積應等于開孔去掉的鋼板面積。

圖1(a)人字接管的等面積補強方式見圖2,其中補強范疇(圖2(a)紅色區

域、圖2(b)紅色區域、圖2(c)綠色區域、圖2(d)藍色區域)從(a)至(d)依次增

大，運算結果見表1。

(a)(b)

(c)

(d)

圖2人字接管等面積補強法示意圖

表1人字接管等面積補強成效

一次十二次應力強度(MPa)就強度降低補強模型

補

前

強60

22

方

式

1609%圖2z

20<a\

\7

方

式

16圖

250%2Zb\.

1427e7

方

式

圖

3l0%2ze\

9238(

x7

方

圖

式359d

4%2zJX

2fkZ

由表1可見，隨著補強區域的擴大，局部應力強度逐步下降，但應力

強度最大值仍舊專門高。

圖1(b)斜接管的等面積補強方式見圖3,圖3所示為斜接管開孔處的補

強范疇。圖3的運算結果見表2。

由表2可見，盡管等面積補強能夠使局部應力強度迅速下降，但最大

應力仍舊專門高。

表2斜接管等面積補強成效

一次+二次應力強度(MPa)應力強度降低補強模型

補強前1177

補強后64345%圖3

圖3斜接管等面積補強法示意圖

綜上所述，對圖1所示的兩類接管(a)、(b)采納等面積補強方法補強,

其成效均不理想。

5操縱變形補強法

操縱變形法是通過對最大變形處進行限制來達到減小局部應力的目

的，此次研究中分別采取桿單元和面單元對最大變形處進行操縱，分別模

擬實際情形中用隔板、角鋼和加大筋進行操縱變形補強的情形。

5.1人字接管的操縱變形補強

人字接管的操縱變形補強要緊通過在最大變形位置處加中間隔板的方

式來實現，具體如圖4所示。補強的運算結果見表3,從表3能夠看出，人

字接管采納加中間F強度大幅降低，補強

成效明顯。

圖4人字接管隔板補強示意圖

表3人字接管隔板補強成效

一次十二次應力強度(MPa)應力強度降低補強模型

補強前2260

補強后34685%圖4

5.2斜接管的操縱變形補強

斜接管的操縱變形補強要緊通過在最大變形位置處加隔板、角鋼以及

加大筋來實現，具體如圖5、圖6及圖7所示。

(a)隔板不開孔(b)隔板

開單孔

(c)隔板開雙孔(d)隔板大

面積開孔

圖5斜接管隔板補強示意

圖6斜接管角鋼補強示意圖7斜接管加大筋補

強示意

圖5是采納隔板對斜接管進行補強的示意圖。隔板補強用面單元進行

模擬，考慮煤氣管道中的氣體流量，隔板補強后必須留夠足夠的空間，為

找出最優的方法，采納了如下（a）?（d）四種隔板補強方式進行模擬，補強的結

果如表4所示。由表4可知，當隔板開孔面積不大于50%時，應力強度大

幅降低，補強成效明顯。

圖6是采納角鋼對斜接管進行補強的示意圖。角鋼補強用面單元進行

模擬，沿斜接管的相貫線加角鋼，角鋼用面單元模擬，角鋼的厚度由單元

厚度操縱，具體如圖6所示。角鋼補強法的成效要緊受角鋼厚度的阻礙，

分別取角鋼厚度為1、1.5、2、2.5倍壁厚進行運算，結果如表5所示。由

表5可見，隨著角鋼厚度的增大，補強成效的增加是明顯的，但應力強度

降低的幅度相比隔板補強顯得不足。

表4斜接管隔板補強成效

開孔面積百分比一次+二次應力強度（MPa）應力強度降低補強模型

補

前

強1177

方

式1

0（不開孔）18684%圖5(a)

方

式2

~25%18884%圖5(b)

方

式3

-50%18584%圖5(c)

方

式4

~75%42764%圖5(d)

表5斜接管角鋼補強成效

角鋼厚度一次+二次應力強度（MPa）應力強度降低

補廊H77

方式11倍壁厚44262%

方式21.5倍壁厚34771%

方式32倍壁厚28776%

方式42.5倍壁厚25678%

圖7是采納加大筋對斜接管進行補強的示意圖。加大筋補強用桿單元

進行模擬，在最大變形處的相貫線上找出對應的節點，再連接成桿單元，

見圖6。補強的結果如表6所示。由表6可知，斜接管采納加大筋進行操縱

變形補強時，應力強度降低不多，補強成效不明顯。

表6斜接管加大筋補強成效

一次十二次應力強度(MPa)應力強度降低補強模型

補強前1177

補強后91722%圖7

6結論

本文以兩個工程實例為對象，對冶金行業中常見的人字接管和斜接管

的開孔補強進行了詳細的分析，得到如下結論：

1)當等面積法的補強成效較差時，能夠按照“內壓趨圓”現象，

找到變形最大處，試從操縱變形的角度來操縱應力。

2)關于人字接管，采納中間隔板進行內補強，具有較好的補強成

效。

3)關于斜接管，采納隔板內補強和角鋼外補強均具有較好的補強

成效，相比較而言，隔板內補強成效更好，但對管道內氣路可能