高压管汇的强度分析是高压管汇破损预测技术的基础，首先要对各种高压流体控制件做基本的强度计算分析。
进行强度计算时，高压流体控制件主要承受内部均匀压力，压力最低为50MPa，最高为100MPa。计算时，工作荷载分为三级，即50MPa, 70MPa和100MPa。计算三通管时，考虑国产和进口两种，通过试验分析得出这两种材料的参数如表1。
表1 高压管汇材料参数
| 材料类型 |
弹性模量E |
泊松比 |
屈服强度 |
抗拉强度 |
| 国产材料 |
2.01×105Mpa |
0.25 |
700Mpa |
885Mpa |
| 进口材料 |
2.12×105Mpa |
0.29 |
695Mpa |
985Mpa |
表2 直管几何尺寸(mm)
| 类型 |
内直径 |
外直径 |
t |
| 1.5＂ |
38.0 |
58.0 |
10.0 |
| 2＂ |
44.5 |
77.5 |
16.5 |
| 3＂ |
67.0 |
89.0 |
11.0 |
表3 活动弯头几何尺寸(mm)
| 类型 |
1.5＂活动弯头 |
2＂活动弯头 |
3＂活动弯头 |
| R |
80.0 |
90.0 |
150.0 |
| 内直径 |
31.0 |
47.5 |
69.0 |
| 外直径 |
61.0 |
81.5 |
104.0 |
| h1 |
85.0 |
90.0 |
100.0 |
| h2 |
71.0 |
75.0 |
85.0 |
管端头和三通管的实际图形见图3，图6。
1.高压流体控制件直管的强度计算
1）直管有限元计算模型
直管是等厚度空心圆柱形钢结构部件。利用有限单元法在计算机上计算时，首先将直管离散化为有限元模型。由于直管的厚度较大，必须采用三维实体单元。内部压力是单元荷载施加的。直管的有限元计算模型共有2560个节点，1920个三维实体单元。
图1 3＂直管有限元空间图
2）直管的静位移
三种类型直管在三种荷载工况下的静位移，选最大值列于表4。
表4 直管的静位移最大值
| 直管类型 |
载荷工况（Mpa） |
最大位移值（mm） |
最大位移所在位置 |
| 1.5＂ |
50.0 |
2.051×10-2 |
直管的端头处 |
| 70.0 |
2.871×10-2 |
| 100.0 |
4.101×10-2 |
| 2＂ |
50.0 |
1.162×10-2 |
| 70.0 |
1.626×10-2 |
| 100.0 |
2.325×10-2 |
| 3＂ |
50.0 |
2.954×10-2 |
| 70.0 |
4.136×10-2 |
| 100.0 |
5.908×10-2 |
3）直管的静应力
分别计算了三种荷载工况下直管的静应力，选取最大应力和Mises最大应力值。
表5 直管的静应力最大值
| 直管类型 |
载荷工况（Mpa） |
最大应力（Mpa） |
最大Mises应力（Mpa） |
最大应力所在位置 |
| 1.5＂ |
50.0 |
128.504 |
151.613 |
沿内壁均匀分布 |
| 70.0 |
179.906 |
212.258 |
| 100.0 |
257.009 |
303.226 |
| 2＂ |
50.0 |
103.246 |
123.313 |
| 70.0 |
144.544 |
172.638 |
| 100.0 |
206.491 |
246.626 |
| 3＂ |
50.0 |
184.876 |
198.719 |
| 70.0 |
258.825 |
278.207 |
| 100.0 |
369.749 |
397.437 |
图2 3”直管Mises应力分布图(荷载50MPa)
2.高压流体控制件活动弯头的强度计算
1）活动弯头的有限元的计算模型
活动弯头的两端是用作连接其它高压流体控制件(如直管或三通管)的带有螺纹的活动结构，中间部分是等厚度弯管。活动弯头的有限元计算模型截取了中间弯管部分，因为中间部分相对于端部易产生应力集中，端部作为约束条件处理。
活动弯头的有限元计算模型共有2560个单元，3168个节点。仍采用三维实体单元。
图3 3”活动弯头有限元空间剖面图
2）活动弯头的静位移
三种类型活动弯头在三种荷载工祝下的静位移最大值在表6给出。
表6 活动弯头静位移最大值
| 弯管类型 |
载荷工况（Mpa） |
最大位移值（mm） |
最大位移所在位置 |
| 1.5＂ |
50.0 |
0.901×10-2 |
弯管内壁表面 |
| 70.0 |
1.263×10-2 |
| 100.0 |
1.807×10-2 |
| 2＂ |
50.0 |
1.587×10-2 |
| 70.0 |
2.221×10-2 |
| 100.0 |
3.174×10-2 |
| 3＂ |
50.0 |
2.941×10-2 |
| 70.0 |
4.222×10-2 |
| 100.0 |
6.032×10-2 |
图4 3'‘活动弯头Mises应力图〔荷载50MPa）
图5 3"活动弯头应力剖面图
3）活动弯头的静应力
活动弯头在三种荷载工况下的静应力最大值和Mises最大应力见表7。
表7 活动弯头的静应力最大值
| 直管类型 |
载荷工况（Mpa） |
最大应力（Mpa） |
最大Mises应力（Mpa） |
最大应力所在位置 |
| 1.5＂ |
50.0 |
102.430 |
130.185 |
弯管内壁表面 |
| 70.0 |
143.402 |
182.259 |
| 100.0 |
208.460 |
260.370 |
| 2＂ |
50.0 |
139.205 |
163.568 |
| 70.0 |
194.887 |
228.995 |
| 100.0 |
278.411 |
327.135 |
| 3＂ |
50.0 |
166.388 |
187.515 |
| 70.0 |
232.943 |
262.521 |
| 100.0 |
332.770 |
375.030 |
3.高压流体控制件三通的强度计算
1）三通管的有限元计算模型
图6 三通管的有限元模型（美国产）
三通管的外径相同内径不同，采用三维实体单元，最终的有限元计算模型有4996个单元，6180个节点。
2）三通管的静位移
国产和进口三通管在三种荷载工况下的静位移，选取最大值列于表8。
表8 三通管的静位移最大值
| 三通管类型 |
载荷工况（Mpa） |
最大位移值（mm） |
最大位移所在位置 |
| 进口 |
50.0 |
0.036 |
主管管壁 |
| 70.0 |
0.051 |
| 100.0 |
0.073 |
| 国产 |
50.0 |
0.038 |
| 70.0 |
0.053 |
| 100.0 |
0.076 |
3）三通管的静应力
三通管在三种荷载工况下的静应力最大值和Mises最大应力见表9。
表9 三通管的静应力最大值
| 三通管类型 |
载荷工况（Mpa） |
最大应力（Mpa） |
最大Mises应力（Mpa） |
最大应力所在位置 |
| 进口 |
50.0 |
13,7.80 |
175 |
分叉腋窝处 |
| 70.0 |
192.90 |
245 |
| 100.0 |
275.59 |
350 |
| 国产 |
50.0 |
145.61 |
185 |
| 70.0 |
204.72 |
260 |
| 100.0 |
291.34 |
370 |
应力图.jpg)
图7 三通管(美国产)应力图〔荷载50MPa)
图8 应力集中位置放大图
4.高压流体控制件甘端头的强度计算
1）管端头有限元计算模型
管端头有限元计算模型见图9，节点2688个，单元2160个。采用三维实体单元。
图9 管端头有限元空间图
2）管端头的静位移
见表10。
表10 管端头的静位移最大值
| 类型 |
载荷工况（Mpa） |
最大位移值（mm） |
最大位移所在位置 |
| 3＂ |
50.0 |
0.01 |
管内壁 |
| 70.0 |
0.0148 |
| 100.0 |
0.0212 |
图10 管端头的最大应力值(内压为50MPa )
3）管端头的静应力
管端头在三种荷载工况下的静应力最大值和Miss最大应力见表11。
表11 管端头的静应力最大值
| 类型 |
载荷工况（Mpa） |
最大应力（Mpa） |
最大Mises应力（Mpa） |
最大应力所在位置 |
| 管端头 |
50.0 |
66.18 |
70.18 |
内壁端头缩颈处 |
| 70.0 |
92.40 |
98.26 |
| 100.0 |
132.34 |
140.37 |
5.高压管汇强度分析结论
高压流体控制件的强度计算是在Pentium-300机上完成的，计算软件是广泛应用于科技界的ALGOR FEAS(Algor Finite Element Analysis System)有限元分析系统。这一软件前、后处理功能齐全，可视化效果较好。
从对计算结果的分析中可以得到如下结论：
1.高压流体控制件在工作荷载为50MPa,70MPa,100MPa时，若厚度t为原始厚度(没有磨损消耗厚度)，均具有足够的强度。从表中可见，当工作荷载为100MPa时，直管的最大位移为5.980 ×10-2mm，出现在3＂直管中；活动弯头的最大位移为6.032×10-2 mm，出现在3＂活动弯头中；而三通管的最大位移为0.076mm，出现在国产的三通管中。以上位移值都能够满足正常工作要求。
2.从高压管汇强度计算结果的分析中可以看出，有限单元法与精确法吻合良好。但前提是力学计算模型要建立得恰当。如1.5＂直管在工作荷载100MPa的作用下，用有限单元法求得的最大应力为257.009MPa，而用解析法(即精确法)求得的最大应力为256.0MPa。高压管汇有限元计算模型的正确和有限单元数值结果具有较高的精度。
3.从高压管汇的应力分布规律可见，无论是直管、活动弯头、三通管、还是管端头，应力量级从管内壁到管外壁逐渐降低。应力量级在管内壁最高，因为工作荷载直接作用在管内壁上。
4.高应力区的分布。在直管中，高引力区当属管的内壁：在活动弯头中高应力区处在弯头内壁表面；而三通的高应力区则在主管和斜管相交的腋窝处，三通的腋窝处是应力集中区域。这完全与定性分析的结论一致，也符合结构力学性能。
5.超标准应力。从有限元法的计算结果可见，进口三通在工作荷载为100MPa作用下，主管和斜管相交腋窝处的应力高达759.633MPa，实际上，这并非是腋窝处的真实应力。也就是说三通的真实应力达不到这么高。产生这个量级应力的原因是三通的有限元模型所致，有限元模型在三通的腋窝处形成尖点导致应力集中，而实际结构并非是尖点。
6.管道的设计寿命一般可按10~15年考虑，管汇构件的壁厚除了应满足强度要求外，还应包括腐蚀、磨损、制造负偏差等所留余量，其年腐蚀率可取0. 1rnrn。对于所有高压管汇构件按磨损厚度2mm计算其应力，仍然满足正常使用要求。 |
