面外弯矩下含局部减薄缺陷三通的塑性极限载荷分析

　　三通管件广泛应用于石油化工、核电、冶金等工业领域以及城市燃气和供热管道系统，在物料输送和工业生产中起着不可替代的作用，其失效破坏往往造成整个压力管道系统的瘫痪，因此三通的强度设计和安全使用在实际工程应用中具有非常重要的意义。三通结构由于制造工艺、材料、腐蚀和管理不完善等原因，普遍存在着焊接缺陷、材料缺陷、使用后产生的裂纹和腐蚀等，而且以未焊透、局部减薄、气孔、夹渣等类缺陷为主。局部减薄降低了三通的承载能力，增加了疲劳裂纹萌生、局部膨胀、泄漏及爆破的机会，使得三通结构成为管道中易于损坏的构件。因此准确地预测含局部减薄缺陷三通的极限载荷和失效模式，对于管系结构安全评定和有效维护非常重要。在无缺陷三通结构的塑性极限分析的研究方面，Moffat[1~4]等在弹性范围内分析了等径构造三通承受弯矩作用时的应力;Kirkwood[5]等研究了内压和面内弯矩联合作用下三通的极限载荷;Yahiaoui[6]等通过模拟地震载荷分析了在该载荷作用下三通结构的极限载荷;Lynch[7]等对管径比为 0.5 的三通进行了极限压力的有限元分析;Nadarajah[8]等利用弹性补偿法计算了三通在面内弯矩作用下的极限载荷。然而，对于含体积型缺陷三通的塑性极限载荷的研究工作至今尚未展开。本文采用弹塑性有限元法，针对面外弯矩下管径比 d/D=1.0 的焊制管道等径三通，计算了无缺陷三通极限载荷，验证了计算方法的有效性，同时针对体积型缺陷的不同情况，系统地讨论了体积型缺陷对等径三通极限载荷和失效模式的影响规律，研究了相应的失效模式。

　　1 面外弯矩下无缺陷等径三通的塑性极限载荷

　　本文应用 ANSYS 有限元软件，采用弹塑性增量法计算等径三通的塑性极限载荷。以无缺陷等径三通为例，有限元模型采用理想弹塑性材料、vonMises 屈服准则，20 节点等参单元离散。在有限元模型上施加支管端弯矩时(包括面内、面外弯矩)，可以根据圣维南原理，把弯矩等效为作用在支管端面上线性分布的面力，支管弯矩可以由下式计算得到：

　　式中0M 为支管端的面外弯矩，q 为折算后作用在支管端的线性分布面力，id 、0d 分别为支管的内、外直径。

　　约束方式如下：对于面外弯矩下的模型，约束横向平面的法线方向位移，主管端部固定径向和周向位移，如图 1 所示

　　模型材料参数为：弹性模量 E=2.07×105MPa，泊松比 μ=0.3，具体尺寸与三通极限载荷见表 1，其中 t，T：三通结构的支、主管壁厚;d，D：三通结构的支、主管平均直径，且 d/D 和 t/T 均为 1。三通极限载荷的有限元数值解与试验解[9,10]的比较如表1。可见本文采用的计算方法和建立的有限元模型是合理和有效的。