擠壓三通優(yōu)化的再認(rèn)識(shí)

1、擠壓三通優(yōu)化的再認(rèn)識(shí),林其略,中機(jī)國(guó)能電力工程有限公司2012年9月,目 次,,引言,1,,EN 10253-2和DIN 2615簡(jiǎn)析,2,,擠壓三通結(jié)構(gòu),3,,三通強(qiáng)度特性,4,5,結(jié)語(yǔ),,1 引言,我在兩年前《超超臨界機(jī)組管道及管件國(guó)產(chǎn)化研討會(huì)》上作過(guò)《熱擠壓三通的設(shè)計(jì)優(yōu)化》發(fā)言。經(jīng)過(guò)兩年來(lái)的實(shí)踐和對(duì)各國(guó)管件標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范 （各年代版本）的粗略查閱和對(duì)比，對(duì)擠壓三通的優(yōu)化有了新的認(rèn)識(shí)，原有認(rèn)識(shí)需要補(bǔ)充或修正。在此，將我的點(diǎn)

2、滴體會(huì)和各位專家交流。,1 引言,代號(hào)下標(biāo)意義：0 等徑三通接管1 主管接管、肩部?jī)?nèi)壁2 支管接管、肩部外壁r 三通主管b 三通支管c 三通肩部,2 EN 10253-2和DIN 2615簡(jiǎn)析,歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10253-2:2007《對(duì)焊管件 第2部分 非合金和鐵素體合金鋼的具體檢驗(yàn)要求》和德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 2615 Part 1 1992《鋼制對(duì)焊管件 三通及其壓力系數(shù)》和DIN 2615 Part 2 1

3、992《鋼制對(duì)焊管件 用于各種壓力的三通》除了和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3419和ISO 5251、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B16.9和MSS SP-75以及日本標(biāo)準(zhǔn)JIS B2312同樣都給出了等徑三通和異徑三通的主管半長(zhǎng)和支管高度外，還具體給出了三通在其主管和支管壁厚與其接管壁厚相同時(shí)，其承受內(nèi)壓相對(duì)于直管的降低系數(shù)和與接管承受相同內(nèi)壓的三通主管和支管的外徑與壁厚。這為研究擠壓三通結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化提供有利的條件。,2.1三通與接管等壁厚時(shí)的壓力系數(shù),

4、表2-1 歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10253-2中等徑三通的壓力系數(shù)X,2.1三通與接管等壁厚時(shí)的壓力系數(shù),所謂壓力系數(shù)，就是三通所能承受內(nèi)壓相對(duì)于相同管徑和壁厚連接管所能承受內(nèi)壓（一個(gè)支管連接管和主管兩個(gè)連接管中的較低值）之比的百分?jǐn)?shù)。 所列數(shù)據(jù)是以滿足如下條件為前提 r2≤0.75? (M-Dr/2) tc,min≥(tr,min + tb,min) / 2,2.2 與接管承受相同內(nèi)壓時(shí)的三通壁厚,表

5、2-2 歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10253-2中與接管承受相同內(nèi)壓的等徑三通壁厚和尺寸,2.2 與接管承受相同內(nèi)壓時(shí)的三通壁厚,① 三通只向內(nèi)壁增加厚度(Dr= D1，Db = D2) 和肩部外壁曲率半徑等于支管凈高的3/4（r2≤0.75 ? (M-D1/2)；肩部壁厚最小值至少是主管和支管壁最小值的的平均值(tc,min≥(tr,min + tb,min) / 2);尺寸C和M如EN 10253-2:2007表13或表14中所列。,2.2

6、與接管承受相同內(nèi)壓時(shí)的三通壁厚,②三通壁厚大一半向外壁增加(Dr≤?D1+(tr,min-t1), Db≤?D2 (tb,min-t2)); 肩部外壁曲率半徑等于支管凈高的1/2（r2 ≤?0.5 (M-Dr/2)）；肩部壁厚最小值至少是主管和支管壁最小值的的平均值(tc,min≥(tr,min + tb,min) / 2);和尺寸C和M如EN 10253-2:2007表13或表14中所列。,2.3 三通的通流截面,表2-3 德國(guó)

7、標(biāo)準(zhǔn)DIN 2615 等徑三通尺寸及壓力系數(shù),2.3 三通的通流截面,表2-4 德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 2615 Part 2等徑三通通流截面與接管通流截面的比較,2.4 三通的主管和支管理論承載長(zhǎng)度及主管長(zhǎng)度和支管高度余量,表2-5 德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 2615 Part 2等徑三通主管和支管理論承載長(zhǎng)度,2.4 三通的主管和支管理論承載長(zhǎng)度和主管長(zhǎng)度和支管高度余量,表2-6 德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 2615 Part 2等徑三通主管長(zhǎng)度和支管高度余量

8、,3 擠壓三通結(jié)構(gòu),3.1 擠壓三通的類型,在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31《壓力管道規(guī)程》和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13480-3《金屬工業(yè)管道 第3部分：設(shè)計(jì)和計(jì)算》有關(guān)擠壓三通的柔性系數(shù)和應(yīng)力增加系數(shù)的附錄中，都有基本筒體（集箱）擠壓翻邊支管和鍛制對(duì)焊三通兩類。 （1）如圖3-1所示，擠壓翻邊支管的主管是基本筒體（集箱）整體的一部分，支管是在基本筒體（集箱）上拉拔擠壓翻遍成型。受其工藝特點(diǎn)所限，其肩部外壁的曲率半徑不可能太大。,3 擠壓三通結(jié)

9、構(gòu),（2）如圖3-2所示，擠壓對(duì)焊三通是相對(duì)獨(dú)立的，無(wú)論是主管還是支管，都是和接管對(duì)焊連接。其工藝有冷擠壓和熱擠壓兩種。中低壓三通可以采用冷擠壓工藝，而高壓三通基本上都采用熱擠壓工藝。熱擠壓工藝也有多種多樣。有徑向補(bǔ)償、也有軸向補(bǔ)償、還有徑向和軸向同時(shí)補(bǔ)償。熱擠壓工藝有可能獲得較好的肩部形狀，從而降低三通的應(yīng)力增大系數(shù)。,3.1 擠壓三通的類型,3.2 主管和支管壁厚,從EN 10253-2和DIN 2615 Part 2給出的三通主

10、管壁厚和支管壁厚來(lái)看：無(wú)論是等徑三通還是異徑三通，支管壁厚始終為主管壁厚的75%左右。也就是說(shuō)，當(dāng)支管和主管的內(nèi)徑之比大于75%左右時(shí)，支管壁厚與主管壁厚之比小于支管和主管的內(nèi)徑之比；而當(dāng)支管和主管的內(nèi)徑之比小于75%左右時(shí)，支管壁厚與主管壁厚之比大于支管和主管的內(nèi)徑之比。EN 10253-2和DIN 2615 Part 2選用這一支管與主管壁厚比的原因，有待于進(jìn)一步探究。 但是，為了避免支管壁厚超過(guò)主管壁厚而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不

11、連續(xù)加劇，EN 13480-3《金屬工業(yè)管道 第3部分 計(jì)算和設(shè)計(jì)》對(duì)支管壁厚與主管壁厚之比相對(duì)于支管和主管的內(nèi)徑之比作出了限定，如圖3-3所示。,3.2 主管和支管壁厚,我曾在《熱擠壓三通的設(shè)計(jì)優(yōu)化》一文中提出：“合理的熱擠壓T形三通，其主管和支管的壁厚之比與主管和支管的內(nèi)徑之比基本上是成正比的，而等徑三通的支管壁厚與主管壁厚則完全相等?！钡目捶ǎF(xiàn)在看來(lái)有所偏頗。,3.3 主管長(zhǎng)度（或半長(zhǎng)度）和支管高度,,,,,,,,,,,,,,,

12、,表3-1 各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等徑三通主管半長(zhǎng)和支管高度對(duì)照表,3.3 主管長(zhǎng)度（或半長(zhǎng)度）和支管高度,如表3-1《各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等徑三通主管半長(zhǎng)和支管高度對(duì)照表》所示：國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3419、5251、歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10253-2、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASME/ANSI B16.9、MSS SP-75、德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 2615、日本標(biāo)準(zhǔn)JIS B2312以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12459給出三通的主管長(zhǎng)度（或半長(zhǎng)度）和支管高度數(shù)值，基

13、本上是一致的，而且公稱尺寸DN≤1000的等徑三通的支管高度與主管半長(zhǎng)度則完全相等。公稱尺寸DN＞1000時(shí)，除DIN 2615外，ASME/ANSI B16.9、MSS SP-75和 EN 10253-2 EN 10253-2給出的支管高度都小于主管半長(zhǎng)度。,3.3 主管長(zhǎng)度（或半長(zhǎng)度）和支管高度,2012年編制的DL/T 695《電站鋼制對(duì)焊管件（征求意見稿）》附錄B表B.2《熱壓三通尺寸系列》給出的三通的主管長(zhǎng)度（或半長(zhǎng)度）和支管

14、高度數(shù)值均比上述標(biāo)準(zhǔn)大得多。它將適應(yīng)承受更高內(nèi)壓，更厚的三通主管壁厚和支管壁厚。 在GD 2000 《火力發(fā)電廠汽水管道零件及部件典型設(shè)計(jì)》中通用擠壓三通的主管半長(zhǎng)度和支管高度均不同于上述標(biāo)準(zhǔn)，且工作壓力≤4.0MPa時(shí)，支管高度都比上述標(biāo)準(zhǔn)小，尤其是等徑三通的支管高度都比主管半長(zhǎng)度大。其合理性有待研究分析。,3.3 主管長(zhǎng)度（或半長(zhǎng)度）和支管高度,《熱擠壓三通的設(shè)計(jì)優(yōu)化》一文中提出：“三通的支管高度不小于三通主管半徑、支管承載

15、長(zhǎng)度及端部坡口和過(guò)渡區(qū)尺寸之和”，是三通設(shè)計(jì)和制造要盡力做到的。但限于制造工藝等因素，對(duì)于大口徑厚壁三通，往往難以做到，此時(shí)，可適當(dāng)降低三通的支管高度。但切記在計(jì)算三通承壓面積和承載面積時(shí)應(yīng)按實(shí)際可能的承載長(zhǎng)度，即以支管高度支管高度扣除三通主管半徑及端部坡口和過(guò)渡區(qū)尺寸之和作為計(jì)算的承載長(zhǎng)度。否則，會(huì)出現(xiàn)不安全的可能。,3.4 肩部?jī)?nèi)、外壁曲率半徑和肩部壁厚,三通肩部尺寸對(duì)三通強(qiáng)度特性起著決定性的作用。三通肩部尺寸包括肩部的內(nèi)壁半徑、外

16、壁半徑和肩部壁厚三個(gè)要素。這三個(gè)要素不僅相互關(guān)聯(lián)，而且還應(yīng)考慮三通外徑與內(nèi)徑比值及支管與主管直徑比值等因素。要協(xié)調(diào)三個(gè)要素，使其達(dá)到比較理想的結(jié)構(gòu)，也是三通設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵。,3.4.1 肩部外壁曲率半徑,加大三通肩部外弧曲率半徑，只增大三通的承載面積，而且肩部外弧曲率半徑也受制造工藝限制。,3.4.1 肩部外壁曲率半徑,在ASME B31壓力管道規(guī)程中第104.3.1（G）、304.3.4、404.3.1（b）、504.3.1(g)、F

17、-1（B31.8）和1104.3.1(b)中，對(duì)于基本筒體（集箱）擠壓翻邊支管肩部外壁的曲率半徑r2（在包含主管和支管兩根軸線的平面上測(cè)量）需滿足下列條件：① 最小曲率半徑r2,min≥（0.05 Db，38mm）的小者 (其中B31.1、B31.4、B31.5和B31.8還指出：“支管外徑大于NPS 30( DN 750) 除外”)；② 最大曲率半徑：除B31.1以NPS 6( DN 150)為分界外，其他管道系統(tǒng)均為：

18、 (a) 支管尺寸大于等于NPS 8( DN 200)時(shí)，r2,max≤Db /10+13（12.7）mm； (b) 支管尺寸小于NPS 8( DN 200)時(shí)，r2,max≤32mm(NPS<8，即DN<200)。,3.4.1 肩部外壁曲率半徑,在ASME B31.8《壓力管道 輸氣和配氣管道系統(tǒng)》表E-1《柔性系數(shù)k和應(yīng)力增加系數(shù)i》中，對(duì)符合ANSI/ASME B16.9要求的擠壓對(duì)焊三通的肩部外壁曲率半徑

19、明確為r2≥1/8Db。BS EN 10253-2:2007規(guī)定:A型三通肩部外壁曲率半徑不大于支管凈高的1/2（r2 ≤?0.5M0=0.5（M-Dr/2)）；B型三通肩部外壁曲率半徑不大于支管凈高的3/4（r2 ≤?0.75M0=0.75 (M-Dr/2)）。DIN 2615規(guī)定：主管和支管之間的過(guò)渡應(yīng)制成一個(gè)不小于tr的半徑r2,3.4.1 肩部外壁曲率半徑,表3-2 各標(biāo)準(zhǔn)等徑三通肩部外壁曲率半徑要求對(duì)比,3.4.1 肩

20、部外壁曲率半徑,3.4.2 肩部?jī)?nèi)壁曲率半徑,減小三通肩部?jī)?nèi)壁曲率半徑，不僅減小三通的承壓面積，而且增大三通的承載面積，這對(duì)降低三通的一次膜態(tài)應(yīng)力，提高三通強(qiáng)度，起著雙重作用。但是三通肩部?jī)?nèi)壁曲率半徑既不可能無(wú)限減小，也不應(yīng)無(wú)限減小。,3.4.2 肩部?jī)?nèi)壁曲率半徑,整鍛鏜孔制成的三通，可以獲得任意小的內(nèi)壁曲率半徑。采用適當(dāng)工藝的熱擠壓三通也可以獲得比外弧曲率半徑小的內(nèi)弧曲率半徑。過(guò)小的內(nèi)弧曲率半徑，會(huì)使該處出現(xiàn)過(guò)大的峰值應(yīng)力，造成局部屈

21、服。內(nèi)弧曲率半徑的最小值可參考ASME B31.1-2010表D-1注（10）對(duì)支管接頭尺寸要求和BS EN 13480-3:2002+A3:2009表H.2對(duì)特殊接頭尺寸要求，取主管壁厚的10%~50%。,3.4.2 肩部?jī)?nèi)壁曲率半徑,一般工藝的熱擠壓三通，特別是冷擠壓三通，其內(nèi)壁曲率半徑往往會(huì)比外壁曲率半徑大。但要保證肩部壁厚不小于三通主管壁厚和支管壁厚的平均值，內(nèi)壁曲率半徑r1應(yīng)不大于外壁曲率半徑r2與主管和支管壁最小值的的平均值

22、(tc≥(tr + tb) / 2)之和。,3.4.3 肩部壁厚,三通肩部壁厚大小，取決于肩部的內(nèi)壁曲率半徑、外壁曲率半徑和三通主管與支管壁厚比。三通肩部壁厚和三通主管壁厚比對(duì)三通強(qiáng)度特性起著決定性的作用。三通肩部壁厚和三通主管壁厚比越大，三通的柔性特性越大，應(yīng)力增大系數(shù)越小。增大三通肩部厚度與三通壁厚之比的途徑是減小三通肩部?jī)?nèi)壁曲率半徑或加大三通肩部外壁曲率半徑。,3.4.3 肩部壁厚,ASME B31《壓力管道規(guī)程》就把tc＜1.5

23、T和tc≥1.5T作為區(qū)分兩類擠壓三通及其柔性特性的主要條件之一。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10253-2表C.2《B型三通壁厚》是以“三通肩部壁厚最小值至少是主管和支管壁最小值的的平均值(tc,min≥(tr,min + tb,min) / 2) ”作為計(jì)算條件的。實(shí)際上，這是三通肩部壁厚的極限最小值。,3.5 尺寸偏差,要保證三通成品質(zhì)量，三通圖樣應(yīng)規(guī)定三通的線性尺寸偏差和形狀位置偏差：三通最大內(nèi)徑不大于三通補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的三通內(nèi)徑；三通主管的

24、主管壁厚和支管壁厚不小于三通補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的壁厚；三通肩部外弧曲率半徑應(yīng)不小于三通補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的外弧曲率半徑；三通肩部?jī)?nèi)弧曲率半徑應(yīng)不大于三通補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的內(nèi)弧曲率半徑。在滿足上述條件的前提下，用壓力面積法進(jìn)行開孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算時(shí)，承載面積不需乘以0.9的系數(shù)。 質(zhì)量檢驗(yàn)部門也應(yīng)嚴(yán)格檢測(cè)上述偏差在允許范圍內(nèi)。,,4.1 三通柔性特性系數(shù),（1）擠壓翻邊支管ASME B31.1表D-1規(guī)定，滿足第104.3.1(G)節(jié)要求的擠壓翻邊

25、支管的柔性特性系數(shù)h為：,而ASME B31.3、B31.4、B31.5、B31.8、B31.11和EN 13480-3對(duì)擠壓翻邊支管的柔性特性系數(shù)h則規(guī)定為：,（4-2）,4 三通強(qiáng)度特性,（4-1）,4.1 三通柔性特性系數(shù),（2）擠壓對(duì)焊三通在2007年前，ASME B31和EN 13480-3對(duì)擠壓對(duì)焊三通的柔性特性系數(shù)都定義為：,從ASME B31.1-2007和ASME B31.3-2008開始，在附表正文中對(duì)擠壓對(duì)焊三

26、通的柔性特性系數(shù)定義都改為：,并在表注中說(shuō)明：如果r2≥1/8Db，tc≥1.5T，則三通的柔性特性可采用式（4-3）。而ASME B31的其他管道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，至今仍維持不變，但都注明適用于符合r2≥1/8Db，tc≥1.5T的三通。,（4-3）,（4-4）,4.2 三通的應(yīng)力增加系數(shù),三通的柔性特性適用于任何平面內(nèi)的彎曲，而應(yīng)力增加系數(shù)則有面內(nèi)彎ii和面外彎io之分。除ASME B31.1對(duì)于ii和io使用單一的應(yīng)力增加系數(shù)0.9/h2

27、/3以及B31.3附錄D表D300注(3)“如需要是時(shí)，對(duì)于ii和io都可使用單一的應(yīng)力增加系數(shù)0.9/h2/3”外，ASME B31.4、B31.5、B31.8、B31.11和EN 13480-3D都對(duì)面內(nèi)彎ii和面外彎io分別定義為： io=0.9/h2/3 （

28、4-5） ii=3/4io+1/4 （4-6） ASME B31.3和EN 13480-3的表注指出：支管連接的應(yīng)力增加系數(shù)是用在支管中心線兩側(cè)長(zhǎng)度至少為兩倍直徑的主管進(jìn)行試驗(yàn)得到的，間距更小的支管可能需特殊考慮。其他標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有說(shuō)明。,4.3關(guān)于三通主管壁厚,用以

29、計(jì)算三通柔性特性系數(shù)的壁厚T，ASME B31.1和ASME B31.3 都用“匹配的管子(matching pipe)”一詞，而ASME B31.4、B31.5、B31.8、B31.11則明確“T為管件的名義壁厚，對(duì)于鍛制（擠壓）三通是主管或集箱的的名義壁厚。其厚度大于配對(duì)連接管道的厚度，但所增加的厚度必須在支管外徑的每一側(cè)至少保持一個(gè)主管外徑的長(zhǎng)度。”,5 結(jié)語(yǔ),⑴ 與接管等壁厚的三通，其允許承受內(nèi)壓遠(yuǎn)低于接管，且隨著管徑增大或厚徑

30、比（管子壁厚與管徑之比）減小而減少；與接管承受同樣內(nèi)壓力的三通，其主管壁厚與支管壁厚要比接管壁厚厚得多，且三通壁厚與接管壁厚之比，隨著管徑增大或厚徑比（管子壁厚與管徑之比）減小而加大。,5 結(jié)語(yǔ),⑵ 三通的主管半長(zhǎng)度和支管高度至少不小于肩部外壁半徑與接口端面焊接坡口寬度之和，可以小于理論有效承載長(zhǎng)度與接口端面焊接坡口寬度之和。當(dāng)三通的主管半長(zhǎng)度和/或支管高度小于理論有效承載長(zhǎng)度與接口端面焊接坡口寬度之和時(shí)，應(yīng)以三通的主管和/或支管的實(shí)際

31、承載長(zhǎng)度計(jì)算承壓面積，決不能用理論有效承載長(zhǎng)度計(jì)算承壓面積。,5 結(jié)語(yǔ),⑶ 等徑三通的支管高度宜與三通主管半長(zhǎng)度相等或略小于三通主管半長(zhǎng)度，而不宜大于三通主管半長(zhǎng)度。⑷ 三通支管和主管的壁厚之比不一定要與支管和主管的內(nèi)徑之比成正比。,5 結(jié)語(yǔ),⑸ ASME B31壓力管道規(guī)范系列標(biāo)準(zhǔn)正文中僅是對(duì)擠壓翻邊支管肩部外壁曲率半徑的規(guī)定，并不是對(duì)各種擠壓對(duì)焊三通肩部外壁曲率半徑的限制。,5 結(jié)語(yǔ),⑹ 隨著對(duì)各國(guó)管件標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)計(jì)算規(guī)范的學(xué)習(xí)，越

32、感自己對(duì)擠壓三通優(yōu)化的認(rèn)識(shí)的膚淺和有失偏頗，需要不斷學(xué)習(xí)、不斷實(shí)踐、不斷認(rèn)識(shí)。本文的認(rèn)識(shí)難免有誤，敬請(qǐng)各位批評(píng)指正。,參 考 文 獻(xiàn),[1] 林其略. 熱擠壓三通設(shè)計(jì)的優(yōu)化[A]，——超超臨界機(jī)組管道及管件國(guó)產(chǎn)化研討會(huì)論文集[C],天津 [2] ISO 3419-1981, Non-alloy and alloy steel butt-welding fittings[S].[3] ISO 5251-1981, Stainle

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