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1、390化工机械2016年周向缺陷位置对弯管承载能力的影响万晋∗秦超(福州大学石油化工学院)摘要以弯管为研究对象,采用有限元法对弯管中间横截面应力分布规律和塑性极限载荷进行研究,给出了弯管在内压和弯矩载荷下的应力分布情况,指出了弯矩载荷下弯管中间截面最大轴向应力点位置和计算公式,分析了中间截面上不同位置周向裂纹缺陷对弯管塑性极限弯矩载荷的影响。结果表明,对于弯曲半径比较小,径厚比较大的弯管应将周向裂纹缺陷定位在最大轴向应力点确定弯管弯矩承载能力,为进一步研究弯管塑性极限弯矩,完善弯管失效评定奠定基础。关键词弯管周向裂纹塑性极限弯矩失效评定+中图分类号TQ055．81文献标识码A文章编
2、号0254-6094(2016)03-0390-07[4]弯管是压力管道中重要的元件之一,在用于影响;YahiaouiK等利用有限元法对含周向表管路改向的同时,作为弹性元件可通过弹性或塑面裂纹塑性极限载荷影响因素进行了研究,并结[9~12]性变形吸收系统中由于热膨胀等因素产生的力和合实验对模拟的可靠性进行了验证;KimYJ力矩,在复杂载荷作用下弯管成为管系中高应力等通过有限元模拟结果给出含周向面型缺陷弯管[1]部位,若弯管中存在原始或使用中产生的缺塑性极限弯矩的拟合公式,并且进一步对联合载陷,是否会危及管道的安全运行已成为工程技术荷及与弯管相连直管对弯管的影响做了详细研[13~15
3、]人员关注的问题,而我国现行的GB/T19624-究。[2]2004对管道缺陷的评定方法仅适用于直管段,1弯管应力研究且未给出对于各类管件以及管件与直管连接区域直管塑性极限载荷主要与管道材料、直径、厚的缺陷安全性评定的适用性和具体要求。度、裂纹尺寸和位置相关,而弯管还受弯曲半径影含裂纹管道的安全评定需要使用结构的塑性响。对于含周向面型缺陷弯管塑性极限载荷的研极限载荷值,对于无缺陷弯管的塑性极限载荷前究,首要问题是分析弯管应力分布规律,考虑到按[3~8]人已经做了大量的工作。对于含周向面型缺照裂纹的力学特征划分的张开型、滑开型和撕开陷的弯管塑性极限载荷,在内压作用下,弯管轴向型3种裂
4、纹中,以张开型裂纹危险性最大,也最为应力与直管一致,可用直管的净截面失效准则求常见,成为断裂力学研究的重点,对于沿弯管横截得;在弯矩载荷下,因弯管的变形性状与直管差距面的周向面型缺陷,其应力研究也将重点集中在较大,其塑性极限弯矩成为进一步完善管道失效轴向应力的分布。评定的一个重要课题之一。近年来,对于弯管塑1.1计算模型和模拟结果验证性极限载荷的研究也主要集中在塑性极限弯矩和由于弯管中心线存在曲率,在承受弯矩载荷塑性极限联合载荷,由于石油化工等行业管道的时力学性能和直管存在很大不同。笔者应用结构特殊性,研究重点是表面裂纹,GriffithsJE用试有限元ANSYS软件,建立弯头与直
5、管连接结构的验的方法研究了缺陷尺寸对弯管塑性极限弯矩的三维有限元模型,模型尺寸参量如图1所示,为避∗万晋,男,1957年7月生,副教授。福建省福州市,350108。第43卷第3期化工机械391免模型边界约束对分析区域计算结果的影响以及实际使用中弯管通常与直管相连,故模型中取直[10]管长度L=5D,弯头及其与直管连接面边缘区域采用20节点的SOLID186单元,远离边缘区的直管段用8节点的SOLID185单元,并在弯管及与直管连接边缘区域形成较为致密的单元,在保证计算精度的同时节省计算时间,以结构轴向平面为对称面,建立结构的1/2模型(图2),在对称面施加对称约束,在模型内表面施加
6、均匀分布的面力模拟内压载荷,在直管的一个自由端添加MASS21质点单元模拟弯矩载荷,以达到模拟结构受载状况。图2有限元计算模型为了验证上述计算模型的正确性和可靠程度,选用弯曲半径比R/D=1.5、径厚比r/t=10(λ=0.3145)的弯管作为验证模型,提取弯管中间截面的外表面应力分布,将ASMEⅢNB-3865中提供的弯管中间截面应力计算公式与模拟计算结果进行比较,在1MPa内压和1kN·m开弯载荷分别作用下该截面应力模拟结果和ASME公式计算结果比对如图3所示,可以看出在两种载荷情况下周向和轴向的应力在大小、趋势方面均有很好的契合度,从而验证了有限元计算所采用的图1管道结构参量
7、示意图模型是正确的,所计算的结果将是可信的。图3有限元法与ASME公式计算结果对比1.2弯矩载荷作用下应力分布计算公式,仅适用于几何因子λ=理论分析和有限元模拟的结果都表明压力管tR/(r21-μ2)>0.2的弯管,不适用于弯曲半道承受内压载荷时其轴向应力和直管一致,内压径较小,且壁厚较小的弯管,而工程中使用的弯管极限载荷也采用与直管一致的方法———净截面失又大多属于λ≤0.2的范畴。为了研究薄壁弯头效准则求得。但是除了内压载荷外来自管道热胀应力分布规律,笔者建立一系
