摘要在几个简化假设的前提下,采用弹塑性有限元方法,系统分析了内压下含轴向裂纹的等径焊制三通的极限载荷及其变化规律,分别给出了含轴向裂纹、穿透型裂纹及表面裂纹的三通极限载荷的估算公式,并将估算公式计算出的值与有限元数值解进行了比较。结果表明,深短裂纹和浅表面裂纹对极限载荷影响很小,内表面和外表面两种裂纹形式对极限载荷的影响差别不大,可采用外表面裂纹来分析;给出的估算公式具有较高的精度和合理的保守性。

油气输送及石油化工行业中的压力管道失效往往导致灾难性事故,其安全可靠性日益引起工程界的重视,如何建立相应的完整性评定规程成为近期国际上的研究热点。断裂试验研究表明,工业中压力管道(包括管件)的失效多由塑性极限载荷控制,因而如何简便准确地估算含缺陷压力管道的塑性极限载荷,成为其完整性评定技术的关键。目前对直管和弯头已作了部分研究工作,但对含缺陷三通的极限载荷分析还少有报道。文献[1]指出,目前有关含纵向平内裂纹三通极限载荷的研究,仅限于四分之一拐角裂纹形式,且支主管的直径比(d/d)小于0·5,石化行业大量采用的等径三通的极限载荷估算方法,还未见报道。笔者采用有限元方法,以含纵向平面内裂纹的等径焊制三通为研究对象,对其内压下的极限载荷与裂纹尺寸之间的关系进行了系统分析,提出了简便可行的估算方法。得出的结果可为含缺陷管件完整性评定提供基础数据。

几个简化假设

为便于工程应用,从保守角度出发,对含裂纹三通复杂的几何结构和实际材料作如下假设。

(1)三通由两个理想圆筒体正交相贯焊制而成,不考虑主、支管的不圆度和加工误差;不考虑相贯线处焊缝对三通强度的加强效应,把整个结构作为薄壁壳体来考虑,且主、支管端部封闭,即考虑内压在轴线方向的作用效果。

(2)理想刚塑性材料假设。即认为三通相贯区发生完全屈服前没有弹性变形,忽略压力载荷下三通管件的椭圆化趋势,考虑到材料的应变硬化效应,取流变应力作为理想材料的屈服应力。

(3)裂纹尺寸假设。考虑到工程中的实际情况,取轴向平面内关于拐角处对称的裂纹形式进行研究,这是最危险的一种情况。裂纹长度用2c表示,裂纹深度为常数a,即简化为矩形裂纹,工程中的其它表面裂纹形式,都可按r6[2]提供的方法转化为矩形裂纹来表征。

有限元分析及结果

1·程序及有限元模型

有限元程序采用大型通用ansys软件,单元类型选用20节点(solid 95)和8节点(solid 185)等参元。考虑到含裂纹结构和内压载荷的对称性,可取二分之一的模型进行研究,为了避免约束造成的边缘效应,在主管上增加一长度大于3do(do指三通主管外径)的直管段。

为减少节点数量,节约计算时间,在主、支管的直管段上采用8节点单元,而在相贯区采用20节点单元,模型共划分单元数2000~3000个。裂纹尖端单元的尺寸随模型的不同而变化。研究表明,裂纹尖端奇异单元的选择与否对结构的极限载荷影响不大,只要选择合适的单元尺寸,便可得到足够精度的极限载荷解。网格划分见图1。有限元模型材料的塑性强化模式按双线性随动强化考虑,相应的机械性能为:弹性模量e=2·07×105mpa,泊松比μ=0·3,屈服强度σy=320mpa。

为得到良好的收敛解,计算过程中采用了小变形假设。非线性计算采用修正的newton-rapson方法,其特点是具有二阶收敛性,对小挠度和小应变非线性问题可以提供更加稳定的分析结果。对于判断非线性迭代近似解可接受程度的收敛准则,笔者采用力和位移双判据,取最大残余力与最大反作用力之比小于0·01,可充分满足计算精度要求

三通为管件、管道连接件。又叫管件三通或者三通管件，三通接头，用在主管道要分支管处。三通有等径和异径之分，等径三通的接管端部均为相同的尺寸；异径的三通的主管接管尺寸相同，而支管的接管尺寸小于主管的接管尺寸。
三通选购时的注意事项：

(1)首先先确定被控制的介质是油还是水。
(2)计算被控制的介质的流量m3/h。
(3)根据被控制的介质及其设计流量来选择三通调温阀口径。
(4)根据阀体材料（铸铜或T铸铁）、连接形式（F法兰、G管螺纹 、ZG锥管螺纹）、阀门结构型式（Z转阀式、H滑阀式）、温度调节范围和安装型式确定三通调节阀型号。
(5)根据三个阀口流体的不同流向，三通调温阀可用于合流或分流控制场合。
(6)三通调温阀可以替代一个二通阀和一个三通接管。
(7)为防止介质中杂质卡死或堵塞，三通调温阀宜在该阀前设置过滤器。
(8)三通调温阀可任意位置安装，但应急手动装置面应安装 在便于操作的位置。
(9)转阀式三通调温阀有六种安装型式，适应任意管向的联结，安装型式根据系统实际管路联结选定。
(10)合流式三通调温阀的作用是将两种不同温度的流体通过 阀门混合成温度介于前两者之间的第三种温度的流体，这种阀有两个进口（B为高温入口，C为低温入口）和一个出口（A），感温元件装在出口（A）处。分流式三通调温阀的作用是把一种流体通过阀后按比例分成两路，当阀在关闭一个出口的同时就打开另一个出口，这种 阀有一个入口（A）和两个出口（B为旁通回流口