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目前,在各国的设计标准和规范中,采用在开口边缘加固或局部加厚管壁,以降低应力集中系数。
目前管道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。
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。
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。