支管连接等面积补强计算方法优化

符号

A1——因开孔削弱而要求补强的截面积,见图4-3,mm2;

A2——补强范围内主管上除承受压力所需面积之外的多余截面积,见图4-3和图4-4,mm2;

A3——补强范围内支管上除承受压力所需面积之外的多余截面积,见图4-3和图4-4,mm2;

A4——补强范围内的补强圈截面积,或挤压成型接口端部除承受压力所需之外的多余截面积,见图4 3和图4-4,mm2;

A5——补强范围内的焊缝截面积,见图4 3,mm2;

Db——支管外直径,见图4-3和图4-4,mm;

Dh——主管外直径,见图4-3和图4-4,mm;

Dr——补强圈外直径,mm;

db——支管内直径,见图4-4,mm;

dx——挤压成型接口的设计内直径,取支管内直径与2倍的厚度附加量之和,见图4-4,mm;

d1——见图4-3,d1sinβ=Db-2(Tb-C),mm;

d2——补强范围宽度的一半,mm,对于焊接连接的支管(图4 3),d2=max(d1,Teb+

Teh+d1/2),对于挤压成型的接口(图4-4),d2=dx,且d2≤Dh;

hx——挤压成型接口的高度,见图4-4,mm;

K——主管开孔补强设计的系数,当Db/Dh＞0.6时,K=1.0;当0.15＜Db/Dh≤0.60时,K=0.6+2/3Db/Dh;当Db/Dh≤0.15时,K=0.70;

L4——主管外侧的补强范围高度,见图4-3,L4=min(2.5Teh,2.5Teb+Tr),mm;

L5——主管外侧的补强范围高度,见图4-4,L5=0.7 DbTx ,mm;

rx——挤压成型接口外轮廓部分的过渡半径,在支管和主管轴线相交的平面上测量,见图4-4,mm;

Tb——支管最小厚度,为实测所得或取名义厚度减去材料厚度负偏差,mm;

Tb——支管名义厚度,mm;

Teb——支管有效厚度,支管名义厚度减去厚度附加量和厚度负偏差后的厚度,mm;

Teh——主管有效厚度,主管名义厚度减去厚度附加量和厚度负偏差后的厚度,mm;

Th——主管最小厚度,为实测所得或取名义厚度减去材料厚度负偏差,mm;

Th ——主管名义厚度,mm;

Tr——补强圈或补强鞍板的名义厚度,由管切制时,则为最小厚度,mm;

Tx——挤压成型接口的厚度,从主管以上高度为rx处测量,不包括腐蚀、冲蚀裕量,见图4-4,mm;

tb——支管计算厚度,应计入支管Φw值,当支管为外压(或真空)时,Φw=1.0,mm;

th——主管计算厚度,应计入主管Φw值,当支管未和主管纵焊缝相遇或当为外压(或真空)时,Φw=1.0,mm;

β——支管轴线和主管轴线间的夹角,应不大于90°。

【例】 考虑下图中所示的焊接支管连接。支管外径为168mm,主管外径为426mm。主管与支管均为无缝钢管,材料为20#钢。主管的公称壁厚为13mm,支管的公称壁厚为7.5mm。支管轴线与主管轴线之间的夹角为60°。补强圈的外径为300 mm,补强圈的厚度为13mm。所有4个角焊缝均相当于焊角尺寸为10mm的45°角焊缝。钢管的腐蚀裕量为2.5mm,厚度负偏差为12.5%。设计压力为3.5 MPa,设计温度为370℃,370℃时的许用应力为90MPa。补强圈材料与钢管材料相同。在此情况下强度是否足够?

支管连接的补强计算实例图

【解】 S1=13-13×0.125=11.38mm

S2=7.5-7.5×0.125=6.56(mm)

Sr=13(mm)

d1=[168-2×7.5+2×(2.5+7.5×0.125)]/sin60°=184.61(mm)

(1)计算沿主管的有效补强区范围

因为

+(S1-c1)+(S2-c2)=+(11.38-2.5)+(6.56-2.5)=105.25(mm)＜d1

因此沿主管的有效补强区范围

d2=d1=184.61mm

(2)计算沿支管的有效补强区范围

因为

2.5(S1-c1)=2.5×(11.38-2.5)=22.2(mm)

2.5(S2-c2)+Sr=2.5×(6.56-2.5)+13=23.15(mm)

取上述两值中较小的一个,得到沿支管的有效补强区范围L4,即

L4=22.2mm

(3)计算需要的补强面积A1

根据式S0=pD0/(2[σ]tEj+Yp),主管的计算壁厚为

需要的补强面积为

A1=8.16×184.61×(2-sin60°)=1708.24(mm2)

(4)计算补强区内主管超厚部分(超出计算壁厚加腐蚀裕量的部分)形成的面积A2

A2=(2×184.61-184.61)×(11.38-8.16-2.5)=132.92(mm2)

(5)计算补强区内支管超厚部分(超出计算壁厚加腐蚀裕量的部分)形成的面积A3

根据式S0=pD0/(2[σ]tEj+Yp),支管的计算壁厚为

补强区内支管超厚部分(超出计算壁厚加腐蚀裕量的部分)形成的面积A3为

A3=2×22.2×(6.56-3.22-2.5)×sin60°=43.07(mm2)

(6)计算补强区内焊缝金属及补强金属的总面积A4

(7)补强条件的校核

A2+A3+A4=132.92+43.07+1578.13=1754.12(mm2)＞A1

因此强度满足要求。

等面积补强计算的适用范围

(1)等面积补强法计算是支管连接的最低要求,适用于以下几种支管连接结构。

①《压力管道规范—工业管道》GB/T20801.4—2006图

4 3所示的焊接支管。

②与①结构类似的焊接或锻造三通、四通、斜三通。

③未列入《压力管道规范—工业管道》GB/T20801.3—2006表14的其他直接焊接于主管的支管连接管件。

(2)等面积补强法的结构尺寸应符合以下规定。

①Dh/Th＜100时,Db/Dh≤1.0;Dh/Th≥100时,Db/Dh＜0.5。

②β≥45°。

③支管轴线和主管轴线相交。

图4-3　焊接支管

(3)外加补强材料应符合以下规定。

①外加补强材料可不同于主管材料,但应和主管、支管材料具有相近的焊接性能、热处理要求。

②电位差和热膨胀系数等。

③如外加补强材料的许用应力低于主管的许用应力,则用于补强的截面积A4应乘以两者许用应力的比值后再行校核;如补强材料的许用应力高于主管的许用应力,则其影响可不予考虑。

④对于剧毒、甲乙类可燃气体或甲类可燃液体或高温高压管道和剧烈循环工况,不宜采用补强圈作为补强措施。

不需要补强的条件

符合下列情况之一者,不需要进行补强计算,也不需要采取其他补强措施。

(1)直接焊于主管的螺纹、承插焊管接头(《锻制承插焊和螺纹管件》GB/T14383—2008),且符合下列各项要求。(www.xing528.com)

①支管公称直径不大于DN50;

②Db/Dh≤0.25。

(2)直接焊于主管的支管座(《钢制承插焊、螺纹和对焊支管座》GB/T19326—2003)。

(3)经验证性压力试验的三通、四通或斜三通(《钢制对焊无缝管件》GB/T12459—2005、《钢板制对焊管件》GB/T13401—2005)。

(4)螺纹或承插焊三通、四通或斜三通(《锻制承插焊和螺纹管件》GB/T14383—1993)。

(5)满足《压力管道规范—工业管道》GB/T20801.3—2006中4.2.1.4要求的支管连接管件。

支管直接焊于主管的补强计算

(1)补强结构

①所有截面上的补强圈宽度(通过补强圈中心度量)应为恒值。

②对于Db/Dh＞0.80的焊接支管,宜采用整体补强或支管补强结构,如需采用外加补强圈补强,则应采用套筒型补强圈。

(2)补强有效范围

补强有效范围(见图4-3,简称“补强范围”)为主管表面沿支管中心线两侧各为d2、垂直于主管表面距离为L4的范围。

(3)要求的补强面积A1

①对于承受内压的支管连接件,A1应按式(4-14)计算:

②对于承受外压(或真空)的支管连接件,A1应将外压(或真空)作为内压按式(4-15)计算:

A1=thd1(2-sinβ)　

(4-15)

(4)补强范围内的补强面积

①除承受压力载荷所需计算厚度th之外,主管上多余厚度构成的面积A2应按式(4-16)计算,但内压或外压(或真空)的计算厚度th应予以区别。

A2=(2d2-dl)(Teh-th)　

(4-16)

②除承受压力载荷所需计算厚度tb之外,支管上多余厚度所构成的面积A3应按式(4-17)计算,但内压或外压(或真空)的计算厚度tb应予以区别。

A3=2L4(Teb-tb)/sinβ　

(4-17)

③补强圈面积A4应取式(4-18)和式(4-19)中的较小值:

④焊缝面积A5应按实际焊缝尺寸计算,焊缝的最小尺寸应符合《压力管道规范—工业管道》GB/T20801.4—2006中图10的规定。

(5)补强面积的校核要求

补强面积应满足式(4-20)的校核要求:　

A2+A3+A4+A5＞A1

(4-20)

(6)多个支管连接的补强设计

①如任意两相邻支管的中心距大于或等于该两支管平均直径的2倍,则每个支管应分别符合上述(2)～(5)的规定。

②如任意两相邻支管的中心距小于该两支管平均直径的2倍,则两支管的补强设计应按以下规定进行:任意两相邻支管的中心距不宜小于该两支管平均直径的1.5倍;两支管补强范围内相互重叠的面积不能重复计入,且两支管之间的补强面积应不小于该两支管所需补强面积总和的50%;相邻两支管应分别符合上述(2)～(5)规定的补强计算要求。

带挤压成型接口的支管连接补强计算

(1)补强结构

①接口(包括支管)轴线和主管轴线相交,且垂直于主管轴线。

②挤压成型接口在主管表面的凸出高度hx应大于或等于接口外侧的过渡半径rx[图4-4(a)]。

图4-4　补强范围

③最小过渡半径rx应取0.05Db或38mm中较小者。

④最大过渡半径rx应满足以下要求。

当Db＜DN200,rx=32mm;

当Db＞DN200,rx≤0.1Db+13。

⑤接口外轮廓由多个过渡半径组成时,应取超过45°弧线的最佳拟合半径为最大半径rx值,且应满足上述③和④的规定。

⑥当rx不满足上述要求时,不得采用机加工的方法达到目的。

(2)补强有效范围

补强有效范围(见图4-4,简称“补强范围”)为主管表面沿支管中心线两侧各为d2、垂直于主管表面距离为L5的范围。

(3)要求补强的面积A1

①对于承受内压的主管上挤压成型的接口,A1应按式(4-21)计算:

A1=Kthdx　

(4-21)

②对于承受外压(或真空)的主管上挤压成型的接口,A1应将外压(或真空)作为内压按式(4-22)计算:

A1=Kthd2　

(4-22)

(4)补强范围内的补强面积

①除承受压力载荷所需计算厚度th之外,主管上多余厚度构成的面积A2应按式(4-23)计算,但内压或外压(或真空)的计算厚度th应予以区别。

A1=(2d2-dx)(Teh-th)　

(4-23)

②除承受压力载荷所需计算厚度tb之外,支管上多余厚度构成的面积A3应按式(4-24)计算,但内压或外压(或真空)的计算厚度tb应予以区别。

A3=2L5(Teb-tb)　

(4-24)

③对于挤压成型接口端部的多余厚度构成的面积A4应按式(4-25)计算:

A4=2rx(Tx-Teb)　

(4-25)

(5)补强面积的校核要求

补强面积应满足式(4-26)的校核要求:

A2+A3+A4≥A1　

(4-26)

(6)多个支管连接的补强设计按支管直接焊于主管的补强计算的规定进行。其中,要求的补强面积及补强范围内的补强面积应按上述(3)和(4)计算。

封头上支管连接的补强设计

(1)补强结构

①开孔直径应不大于封头内径的1/2,如超过此值,则宜采用异径管。

②在通过开孔中心轴垂直于封头表面的任意截面上,开孔每一侧的补强面积至少应等于该截面上所需补强总面积的一半。

(2)补强有效范围

①焊接连接的支管或挤压成型的接口,其补强有效范围应按上述两节中的补强有效范围要求确定。

②凸形封头的补强有效范围应在封头轮廓线之内。

(3)要求补强的面积A1按GB150等相关标准的规定计算。

(4)焊接连接的支管连接或挤压成型的接口,其补强面积应按4.6.5节中的要求确定。

(5)焊接连接的支管连接或挤压成型的接口,其补强面积的校核应符合4.6.5节中的要求。

(6)对于多个支管连接的补强设计,其焊接连接的支管连接或挤压成型接口应按4.6.5节中的规定进行计算。