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为满足使用要求,常需在管路上开孔接管或联接三通,造成管路和管线的不连续,局部出现应力集中。因管路的开孔接管及三通结构复杂,利用三维建模软件和有限元分析软件对管路进行应力分析,很容易得出管道 开孔和三通的应力分布图。
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。