CAESARⅡ中三通的分析和應用

(武漢江漢化工設計有限公司，湖北 武漢 430223)

三通是化工設計及工程項目中較常見的管件，用于將主管流體分配成兩個支管流體或混合兩個支管流體的場合。三通形式多種多樣，有承插焊三通、對接焊三通、法蘭三通和螺紋三通，在目前的應力分析中，對于三通，通常采取簡單模擬的方式，通過選擇三通的正確形式，由軟件自動計算SIF和k值，這樣的分析方法對于大多數管道系統來說，是最常用的做法，但對于一些比較苛刻的場合，為滿足應力要求，往往會增加一些不必要的修改來滿足柔性要求。為此，采取更加合理的三通計算方法，無疑會起到事半功倍的效果。

1 三通分類與在CAESARⅡ中的模擬

1.1 三通分類

三通從形式上主要分為等徑三通和異徑三通，支管尺寸與主管相同的則為等徑三通，支管尺寸小于主管的則為異徑三通。國標三通按照GB/T 12459、GB/T 14383、GB/T 13401或SH/T 3408來設計制造，美標三通按照ASME B16.9或ASME B16.11來設計制造。根據其端部連接形式，還可分為承插焊三通、對接焊三通、法蘭三通和螺紋三通，其中，端部帶法蘭的三通對應力計算有一定影響，不同于非法蘭三通。

1.2 CAESARⅡ中三通的模擬

在CAESARⅡ中，提供了多種三通形式以供選擇應用，在大口徑管線中常用對接焊三通，當正確定義后，CAESARⅡ會自動根據ASME B31.3中附錄D提供的公式計算SIF和k值，CAESARⅡ中的三通定義見圖1。

圖1 CAESARⅡ中三通定義

圖1很形象地把幾種常見的三通區別開來。當選用軟件庫中定義的三通形式時，軟件會自動根據相應規則計算SIF值和k值，數據表中不顯示數值，但可以在菜單欄里的三通項目查詢具體數值。當不采用軟件默認的計算規則時，也可按照其他對應規則計算，然后把所得數值填入數據欄里，軟件會按照重新定義的數值進行計算。

2 三通的應力分析探討

對于非標準三通，如Y形三通、非居中開口三通、四通等，ASME B31.3的附錄D中并沒有提供詳細的計算公式和方法，目前，只能選用標準三通或類似貼近非標三通的標準三通讓軟件自動計算，否則，就只能運用有限元分析方法來計算出需要的數值，重新定義。

2.1 三通的柔性對管道應力的影響

CAESARⅡ軟件是按照ASME B31.3中附錄D提供的方法來計算三通參數的，此規范不考慮三通的柔性，但實際上，三通管件具有一定柔性，并不是完全剛性的，對于一些特殊的場合，考慮三通處的柔性將會大大降低二次應力，極大增加管道系統的柔性，下面以實際工程來具體分析。

實例：蒸汽管線，管道規格φ219×6.0mm，管道材質20(GB/T 8163—2008)，腐蝕裕量1.5mm，設計/操作溫度為170℃/150℃，設計/操作壓力為1.2MPa/1.0MPa。

通過CAESARⅡ建模(見圖2)分析上述管道系統，端部邊界條件均定為固定。

圖2 CAESARⅡ建模

三通處的節點號分別為20、30、60。首先，按照常規應力計算方法，三通根據軟件默認的ASME B31.3中附錄D計算應力增大系數SIF和柔性系數k，其計算后20號節點處的應力結果為二次應力不通過，操作/設計工況下二次應力分別為107.5%和125.6%，管道柔性不足。

此時，通常通過改變管道走向或增加膨脹節等方法，來滿足二次應力和管口受力的要求，由于布置空間的限制，難以通過增加彎頭、改變管道布置來實現，如果增加膨脹節，一方面會增大成本，另一方面，膨脹節為薄弱環節，所以這兩種方法均不能達到最佳效果。

2.2 考慮三通處柔性的應力分析

當上述兩種方法都受限時，需要考慮三通處的柔性。任何計算都要有理論規范作支撐，首先，看一下ASME B31.3對應力增大系數和柔性系數的規定。即按照附錄D來進行計算，附錄D是把三通當作剛性件，不考慮其柔性，然而，在本條319.3.6規定中有一條，即還可以按照ASME B31J來執行，B31J的計算規則是考慮了三通處柔性的，此時，需要借助有限元分析工具FEATOOLS，將原來的CⅡ模型按照B31J進行轉換，把原CⅡ模型中的三通簡單建模轉化為通過在三通點定義的Node-Cnode，定義各方向柔性，轉化后模型見圖3。

圖3 轉化后模型

轉化后的模型在三通20、30、60處均增加一定的剛度值，通過計算新模型，其應力分析結果見圖4。

圖4 應力分析結果

操作/設計工況二次應力由原來的107.5%/125.6%變為46.5%/54.5%，降低了一半，滿足二次應力要求，對比見表1。端部受力對比見表2。

表1 轉化后的模型數值

表2 端部受力對比

注：主要受力荷載降低為原來的57%左右。

3 結語

圖5 簡化三通模型

通過以上實例計算可看出，在計算三通時，CⅡ軟件默認的B31.3附錄D規范是不考慮其柔性的，把它完全當作剛性件，如圖5中的簡化三通模型，附錄D是將三通歸結為中心點5050一個節點來計算SIF和k。而B31J是將三通劃分為不同的節點，如圖6，通過Node-Cnode定義各個點的剛度來模擬三通，考慮了三通柔性。

圖6 模擬三通

可以借助有限元分析工具PRG，分別按照B31.3附錄D和B31J計算三通的SIF和k值。就以本文中的工程項目實例為例，等徑三通規格φ219×6.0mm，各項數據的對比見表3。

表3 對比數據

從上表可以看出，CAESARⅡ運用B31.3附錄D規范對三通是按一個相交的單一節點，從三個方向對此節點分別計算其一次應力和二次應力，這只能簡單、宏觀地從梁單元彎曲變形的角度粗略分析三通的安全性。當進行計算管系應力時，遇到類似上述實例的模型，又不方便修改管道走向和增加補償時，可以考慮借用有限元分析工具，按照B31J規則，從薄膜應力的角度詳細模擬和分析三通的應力狀態，以便可以從合理性和經濟性的角度，更加準確地評估三通的安全性。