作者：张毅
从干管上接出分支，是直埋管道设计和管道安全运行的难点之一。分支点处的处理方法不仅要考虑工程进度，还要考虑工程造价。一般而言主管道走向规划后，应根据分支线的位置，本着降低分支点的受力的原则，反复调整主线补偿装置和固定墩的位置。对于无补偿直埋设计，如果技术可靠、经济条件合理，也可以在分支引处设置少量的补偿装置，力求三通连接处主干线轴向位移量小于5 0mm。当支管给三通连接处的轴向力较大时，要对分支三通进行加固或安装补偿措施。
1 三通管段验算原则
直埋供热管道焊制三通的强度验算，应根据内压和主管轴向荷载联合作用进行。三通各部分的一次应力和二次应力的当量应力变化范围不应大于3 [u]；区域应力集中部位的一次应力、二次应力和峰值应力的当量应力的变化范围不应大于3[u]，当工程验算三通不满足《规程》( CJJ-T81-98)所规定的上述条件时应进行加固。
由于三通的应力验算，《规程》( CJJ-T81-98)并未给出相应的计算方法，附录给出的三通加同方案也仅是针对小管径的加固方案，对于大口径热力管道，应力分析和管道加同没有相应的规范指导。
对于三通、变径、折角和不满足弹性臂长要求的弯头，强度计算需要借助有限元分析。有限元分析需要建立研究对象的几何模型，设定边界条件，进行网格划分并进行迭代计算。
2 工程简介及应力分析
本工程为某实际工程管井示意图，水流方向为从右到左，右侧干管管径为DN600mm，支管管径DN350mm，长40m。设计条件为：热网的供水温度为140℃，回水温度为70℃，安装温度10℃，工作循环最低温度取为10℃，供水压力为1.6MPa。管材材质为Q235钢，管顶埋深为1.5m，采用冷安装方式。管道布置如图1。
本设计属于三通处设置同定墩和补偿器的情况：结合保护阀门和变径管，充分利用检查井，在检查井中，设置固定墩和补偿器。原施工图中三通处设置在管井中，支管没有做补偿，施工图中三通布置形式如图2所示。
3 三通优化改进措施
当三通主管位移为零，或位移量小于50mm时，分支考虑补偿，可采用Z形弯管引出，如图3。弯头距三通的距离L应大于直管弹性臂长且小于20m，用以对主管轴向位移补偿。补偿弯管长度L2应按Z形补偿弯管确定，取弹性长度L。的1.25～2倍，用来补偿支管热伸长。
当三通主管位移为零，或位移量小于50mm时。轴向补偿器可安装在分支管上，如图4。分支点距补偿器的最小距离不应小于1.5/。，最大距离不应大于20m。以补偿主管轴向位移。分支管内压力对三通的影响要特别注意。支管内压力作用被分支点至补偿器管段的土壤摩擦力相互抵消时，可以安装普通轴向补偿器，否则应当安装无推力轴向补偿器。
本设计管井三通的主管无位移，分支可设Z形弯管进行自然补偿，也可以设置补偿装置进行补偿。虽然设Z形弯管自然补偿布置方便，但是考虑到增加4对弯头，弯头需要增大曲率半径，比在支管增设补偿器造价更高；并且敷设范围变大，加大了土方作业，还要考虑地形等影响，不利于施工。所以本设计在支管上增设补偿装置，见图5。
4 ANSYS数值模拟
通过ANSYS软件对该处的三通进行了仿真模拟，证明该处如果采用非加厚三通，原设计必须采取措施减弱支管对主管的应力，本文在支管安装补偿器是实际工程中比较经济与实用的方法。
最大摩擦力：
式中：F为每米管道沿轴线方向的摩擦力，N/m；“为保温管壳与土壤之间的摩擦系数；p为土壤密度，一般沙土为1800kg/m3;g为重力加速度，rn／s2；H为管顶以上的埋土深度，当H> 1.5m时，取H=1.5m；D。为预制保温管外壳管径，m；G为每米预制保温管的管道与介质总重量，kg/m。
该段管长/=40m，利用公式可得Fx为20091.96N/m，支管截面积A为0.007451m2，根据应力的定义——单位面积上作用的力，可得到三通处受应力为：40x20091.96/0.007451=108MPa。
4.1几何模型
虽然本文所建模型是两个圆柱体相贯，但实际中的三通并非如此。完全复制实际结构进行分析，难度会非常大。所以为了简化问题提高效率，可进行理想假设：不考虑主、支管的加工误差及不圆度；将结构看作两个理想的圆柱体正交相贯；不考虑相贯线处焊缝堆高、加强板等加强元件的增强作用；分析中仅考虑管径比不小于0.5的情况。
在建模过程中，三通主支管的相贯处的圆角是建模所要处理的一个重点问题。因为，当此处不设置圆角时，会导致很大的应力集中，远远超过了材料的安定性分析强度条件。在查阅了相关文献，并利用Pro-E软件进行建模并导入ANSYS分析后，可以发现，当三通主管尺寸一定时，在合适的范围内，相贯处的圆角越大，三通应力的最大值就越小。本模拟中，选择圆角尺寸的原则是：采用在建模与导入过程中不会影响模型完整性，所能达到的最大圆角。为了加快模拟的运行速率，建模时仅搭建对称模型的一半。本文研究的三通模型几何尺寸见表1。
4.2约束条件
首先导人Pro-E的IGS文件，然后在ANSYS中进行工作面切割及面分割体等丁作，为划分网格准备。为了求解的准确性，划分网格时，将应力集中区（即过渡圆角处）的网格进行优化，使其较其他位置的网格更密，以减少误差。除了在三通内表面施加内压，在三通的三个端面施加径向约束0，由于干管一侧为同定墩，一侧为补偿器，轴向约束为0。支管轴向施加108MPa的压力。
4.3模拟结果
图6为几何模型图，图7为网格划分。由图8—10可以看出在支管推力作用下，干管的变形很大；三通的峰值应力出现在肩部，符合实际受力情况，最大峰值应力为1310MPa> 3[u]，最小应力发生在管道下侧面，为7.35MPa，二者相差极其悬殊；三通的最大位移发生在紧挨肩部的干管上，管道向外突出6.54mm。因此如果管道采用非加厚三通，管道必须做补偿设计，所以管道三通支管必须做补偿。
5 结论
三通的保护只注意了在干管上设置固定墩限制伸长，加大了管井，增加了投资，优化后在支管上装补偿器完全可以满足要求，并用ANSYS模拟工程设计方案，得出非加厚三通会出现应力过大。对于规程提出的干管轴向伸长小于50mm时，三通可以不做处理，是否在大管径时还适用，是否可以增大伸长量还能满足使用，用ANASY软件进行模拟分析验证。
在本文中应用了ANSYS软件对三通的应力进行了数值计算分析，清楚看到应力分布，特别是最大应力点的位置及数值。表明ANSYS软件有助于管道不连续点的应力分析。
6摘要：三通是热力管道中常用的管件，由于在管道运行时，会在管道的连接处产生峰值应力，因此管道容易产生局部疲劳破坏。本文针对一个实际工程进行了应力分析与计算，并利用ANSYS软件对三通进行了有限元分析，做到在满足应力要求的基础上合理布置附件。
