减速器强度校核计算方法研究

减速器强度校核计算方法研究

减压器是重要的蒸汽和水 管道组件 在电站锅炉中的应用。的设计计算和强度校核方法。 钢板 比较分析了中国、美国和欧洲三种标准中焊接减速器的局部应力分布，并对其进行了分析。 减速机 进行了有限元计算分析。结果表明，对于减速器的壁厚计算，不同标准的计算方法非常相似。计算结果的差异非常小。但对于异径管与直管连接的强度校核，不同标准的计算结果差异较大，其中 ASME BPVC 的计算结果最大。Ⅷ-2017《压力容器制造规则》的计算结果显示，异径管小端与直管的强度很高，而异径管小端与直管的强度很低。GB 150-2011《压力容器》不同标准的计算结果差别很大，ASME BPVC.Ⅷ-2017《压力容器制造规则》计算得出异径管小端与直管连接处的配筋厚度最大，GB 150-2011《压力容器》的计算结果略小于ASME BPVC。2012 年《金属工业管道--第 3 部分：设计与计算》标准的计算结果要小得多。有限元分析表明，在弯矩或内压条件下，接管小端都会出现明显的应力集中，最大应力约为小端最大应力的 2.0 倍。

0.简介

减速器是 管件 连接两种不同管径的管道，是工业管道系统的重要组成部分。异径管一般用于设备进出口管道与管道中支管之间的连接，以减小管道直径，从而改变流体流速，减缓流体对内部零件的侵蚀，减少消耗。 管道材料.蒸汽系统中使用的减速器 管道系统 火力发电厂包括 钢管 模制减速器、钢板焊接减速器和钢板焊接减速器。 偏心减速器.钢管成型减速器是利用 无缝钢管 通过磨具热压成型；异径管本身没有焊缝，且与直管焊接后留有直线段，因此具有较高的强度；钢板焊接异径管是通过将钢板切割成扇形，利用特定的设备卷制而成，由于异径管本身存在焊缝，因此强度相对较低。减速器失效事故在工业生产中经常发生，其中很多都是由焊接减速器锥体和接管焊缝开裂引起的。有限元分析还发现，钢板焊接减速器的焊接部位与管道焊接处有明显的应力集中现象。因此，在钢板焊接减速器的设计过程中，必须严格校核与管道连接处的壁厚。
减速器的设计计算可根据相应管道设计规范中给出的数学分析方法进行。电力行业标准 DL/T 5054-2016《火力发电厂蒸汽 管道设计 规范》给出了钢管成型异径管的强度计算和校核方法，但没有给出钢板焊接异径管的计算方法。欧盟标准 EN 13480-3-2012《金属工业管道-第 3 部分：设计和计算》、中国国家标准 GB 150-2011《压力容器》、美国标准 ASME BPVC 均给出了钢板焊接异径管的强度计算和校核方法。ASME BPVC.VIII-2017 《压力容器制造规则》，但计算方法不同。
本文通过比较和计算不同的内压和管道直径参数对减速器设计的影响，分析了减速器的设计方法。 焊接变径 和 焊接偏心减速器 通过对中国、美国和欧洲三种不同标准的钢板焊接减速器进行有限元计算，分析了减速器在内压和弯矩作用下的详细应力分布状态，并得出了最优配筋系数。计算结果为钢板焊接减速器的选型和计算提供了参考。

1.钢板焊接变径强度计算和校核方法

在受压管道部件的强度设计中，使用的强度理论是最大剪应力理论。内压下的直管壁厚公式来自薄膜模型，并考虑了焊接接头和温度的影响。减径管道公式是在直管壁厚公式的基础上得出的；考虑到所得到的锥形截面的锥角，不同标准中锥形截面的最小壁厚公式如表 1 所示。
表 1 减速器锥形截面壁厚计算表

注意事项:S 是壁厚，毫米； p 是设计压力，帕； D_i 是管道或异径管的内径，毫米； D_o 是管道或异径管的外径，毫米；[σ] 是管道或异径管的内径，毫米。^t 是材料设计温度下的许用应力，兆帕；η 是许用应力修正系数，无量纲；θ 是半锥角。
从表 1 可以看出，压力系数低于 ASME BPVC.VIII-2017 《压力容器制造规则》中低于分母的压力系数为 1.2，而 GB 150-2011 《压力容器》和 EN GB 150-2011 《压力容器》以及 EN 13480-3-2012《金属工业管道-第 3 部分：设计和计算》中低于分母的压力系数为 1。不过，由于管道法规中规定的焊接钢制异径管的允许压力较低，因此这一偏差对计算结果的影响不大。
异径管与直管的连接处有明显的应力集中现象，因此三个标准都分别对直管连接处的大端和小端进行了校核。在 GB 150-2011 中，首先，根据设计压力、许用应力和焊接系数确定是否需要加强连接。当需要增加加强厚度时，应在变径加强段和接管之间设置加强段。变径加强段和接管加强段的厚度应相同，接管的厚度在最小壁厚的基础上乘以应力增值系数，如式（5）所示：

S=QS₀ (5)

在这个公式中。

• S₀ 是接收器的最小壁厚，毫米；
• Q 为无量纲应力增值系数，由设计压力、许用应力和焊接系数的确定尺寸，在 GB 150-2011 表中求得。

ASME BPVC.VIII-2017 采用必须满足受压面积的方法；加固部分必须满足的受压面积 Ar 为

A_r=[kQR/[σ]^tE₁](1-Δ/θ) tanθ (6)

在这个公式中。

• R 是接收器的半径，毫米；k、Q、E 和 Δ 是计算得出的相关系数，可在说明书中找到。

有效面积 A_eL 的大结局是：

有效面积 A_eS 小端是

在 EN 13480-3-2012 中，首先需要通过公式 (9) 确定是否需要加固：

在这个公式中。

• β 是计算所需的系数，可通过检查规范中的表格获得。

2.计算结果

计算管道和变径管的材料 Q235，设计公称压力为 PN16（1.6MPa），设计温度为 200℃，异径管半锥角为 15°。表 2 为异径管大端接管处配筋厚度的计算结果，GB 150-2011《压力容器》对异径管大端没有配筋要求，EN 13480-3-2012《金属工业管道-第 3 部分：设计和计算》。大端的计算结果小于接管的最小壁厚，在实际设计中无法进行具体计算。ASME BPVC.VIII-2017 《压力容器制造规则》中的加固厚度约为直管最小壁厚的 1.3-1.4 倍，计算结果最为保守。这是最保守的计算结果。
表 2 大端加固厚度

联合			大端加固厚度
大端连接管外径	大端喷嘴最小壁厚	锥形截面最小壁厚	GB 150-2011	EN 13480-3-2012	ASME BPVC.VIII-2017
2438	21	21.6	无需加固	10.1 （无需加固）	29
2235	19.2	19.7	无需加固	9.2 （无需加固）	26
2032	17.5	17.9	无需加固	8.4 （无需加固）	24
1829	15.7	16	无需加固	7.6 （无需加固）	22
1626	14	14.2	无需强化教育	6.7 （无需加固）	19
1422	12.2	12.3	无需加固	5.9 （无需加固）	17

表 3 给出了异径管小端接管处加固厚度的计算结果。EN 13480-3-2012《金属工业管道-第 3 部分：设计和计算》的计算结果最小，与接管的最小壁厚相近，只是外径为 2235mm 时，补强厚度小于接管的最小壁厚。GB 150-2011 《压力容器》和 ASME BPVC.VIII-2017 《压力容器制造规则》的壁厚配筋明显高于接管的最小壁厚。VIII-2017 《压力容器制造规则》的强化厚度约为直管最小壁厚的 1.5-2.0 倍。GB 150-2011《压力容器》强化厚度约为直管最小壁厚的 1.4 倍。小端接管的壁厚强化大于大端接管，强化计算采用 ASME BPVC。VIII-2017《压力容器制造规则》中的配筋计算方法仍然是最保守的。
表 4 给出了大端外径为 1626mm、小端外径为 1219mm、材质为 Q235、公称压力为 PN16（1.6MPa）、设计温度为 200℃的异径管在不同半锥角条件下的补强厚度计算。从计算结果可以看出，对于小端的接管，三个标准中的钢筋厚度随着半锥角的增大而明显增加。对于大端接管，ASME BPVC.VIII-2017 的配筋要求也随着锥角的增大而增加，GB 150-2011 和 EN 13480-3-2012 对大端接管则没有配筋要求。因此，在设计过程中，应在空间允许的情况下尽量减小变径管的锥角。
表 3 小端钢筋的厚度

小端连接管		小端加固厚度
标称外径	最小壁厚	GB 150	EN 13480	ASME VIII
2235	19.2	26.9	20	29
2032	17.5	24.5	18	29
1829	15.7	22	16	27
1626	14	19.6	13	25
1422	12.2	17.1	11	24
1219	10.5	14.7	9	22

表 4 锥角对加固厚度的影响

角度/(°)	小端加固厚度/毫米			大端加固厚度/毫米
	GB 150	EN 13480	ASME VIII	GB 150	EN 13480	ASME VIII
10	13.6	9	16	无需加固	无需加固	18
15	14.7	11	18	无需加固	无需加固	19
20	16.8	12	20	无需加固	无需加固	21
25	18.9	14	22	无需加固nt	无需加固	23
30	19.9	16	25	无需加固	无需加固	24

3.有限元分析

为了更详细地了解减速器在外力作用下的应力分布，对减速器和直管接收器进行了有限元分析计算。模型小端直径为 200mm，接收器大端直径为 300mm，接收器管道长度为 800mm，异径管半锥角为 15°。采用结构化网格，在壁厚方向上有 6 层网格，网格总数为 115 万个，经网格相关性验证，满足应力分析的需要。该模型仅计算了由弯矩作用时的内压，以及同时由弯矩和内压作用时的 Von-Mises 应力分布。弯矩为 5000N-m，内压为 1.6MPa。

图 1 内压/帕下减速器的 Von-Mises 应力分布
图 1 显示了仅在内压作用下的 Von-Mises 应力分布。从图中可以看出，接管小端和异径管中部附近为管道内壁应力值最大的区域，在接管处没有应力集中现象，相反，接管小端由于内压向外推动的作用，应力小于直管内壁。在直管中，在有内压的情况下，内壁处的应力值最大，且随着壁厚的增加，内壁处的应力随管道直径的增大而逐渐减小。
图 2 显示了仅在弯矩作用下的 Von-Mises 应力分布。如图 2（a）所示，在弯矩作用下，异径管小端外侧焊缝处的应力集中较为明显，所受应力约为直管小端最大应力的 2.0 倍。在接管大端内壁一侧，应力也略有增加，但比接管小端低得多，如图 2（b）。上述位置也是减速器在生产过程中经常出现故障的位置。
图 3 显示了在弯矩和内压共同作用下的 Von-Mises 应力分布。在弯矩作用下，异径管小端外侧焊接处的应力集中较为明显；最大应力略小于仅受弯矩作用时的应力，如图 3（a），这是由于内压抵消了弯矩使直管产生弯曲的趋势。在接管大端内壁一侧，应力也略有增加，但远小于接管小端，如图 3（b）所示。

从有限元分析结果和根据规范计算的结果对比来看，每个标准的小端壁面配筋值要大于相应的大端壁面配筋值，这是因为小端接管处的应力集中比较明显。在锥角较小的情况下，大端连接处无论是承受内压还是弯矩，应力集中都不明显；因此，在大多数条件下，不需要加强。从表 3 计算结果可以看出，ASME BPVC.VIII-2017 计算出的小端连接管壁厚加固厚度为接管最小壁厚的 1.5-2 倍，GB 150-2011 计算结果为 1.4 倍左右，而 EN 13480-3-2012 计算出的壁厚加固厚度接近甚至小于接管最小壁厚。相比之下，ASME BPVC.VIII-2017 的壁厚加固计算结果更接近有限元分析。

图 2 减速器在弯矩/fPa 下的 Von-Mises 应力分布

4.结论

本文采用中国、美国和欧洲的三种不同标准对焊接减速器进行了比较和计算。他们对偏心减速器进行了焊接，并分析了不同参数对减速器设计的影响。通过有限元法，分析了减速器在内压和弯矩作用下的详细应力分布状态，并得出以下结论：

• 1) 钢板焊接减速器的小端与接管的连接处在弯矩作用下会产生明显的应力集中。设计时必须注意加强壁厚。
• 2) 在空间条件允许的情况下，尽量减小减速器的锥顶角可以使设计更加安全可靠。锥顶角越小，壁厚增强的厚度就越小。但原则上，减速器壁厚不得小于接收器壁厚。
• 3) 通过中、美、欧三种规范对焊接异径管的计算和有限元分析结果对比，ASME BPVC.VIII-2017锅炉压力容器的计算结果相对保守，而EN 13480-3-2012的计算结果明显偏小，ASME BPVC.VIII-2017 计算钢管焊接异径管小端处壁厚的配筋结果与有限元分析较为接近。有限元分析更接近。
• 4) 当直管的壁厚不符合壁厚加固要求时，需要在异径管和直管之间焊接一段符合加固厚度的直管作为加固。

图 3 减速器在弯矩和内部压力下的应力分布 Von-Mises/Pa

作者：刘璐刘璐