复杂载荷下管道三通的塑性极限载荷

　　1　引言

　　服役中的三通往往同时受到内压和弯矩(包括面内弯矩和面外弯矩)等复杂载荷的作用,并不仅承受单一的内压或弯矩。但目前该类管道元件按照规范进行强度设计时仅考虑内压,对弯矩等其他载荷只进行粗略的保守性校核。然而保守并不是科学的处理办法,随着工业技术的进步,人们对生产设备的安全性和经济性提出了更高的要求,这就需要对复杂载荷作用下三通等管道元件的强度特性进行系统研究,给出科学的评价。

　　极限载荷是衡量结构强度的一个重要参量,它一般是在理想弹塑性材料和小变形假设的基础上,通过简单的极限分析得到。对三通这种复杂的结构,目前有关其在复杂情况下极限载荷研究工作还很少[1]。Ellyin[2]和Schroeder[3]分别进行了内压与外弯矩联合作用下的塑性极限载荷试验,Schroeder[4]提出了一个内压与弯矩联合作用下两个圆筒体相贯结构的极限载荷计算方法,但局限于管径比小于0·8的结构,且没有给出显式表达式。Tabone等人[5]进行了内压和弯矩联合作用下的极限载荷有限元分析,但计算模型仅考虑了一种几何尺寸,并没有给出规律性的结论。Nadar-ajah[6]用弹性补偿法计算了径比为d/D=0·1和d/D=0·2的极限载荷,但研究结果不一定能适用于径比大于0·5的管道三通。

　　本文目的是建立一个复杂状况下三通极限载荷的工程计算方法,作为其强度设计优化和在用情况下完整性评定的基础。研究工作是基于以下思路进行的,首先采用弹塑性有限元方法分析复杂情况下三通极限载荷随结构尺寸的变化规律,在此基础上结合单一载荷的计算式,建立复杂情况下的极限载荷计算方法,最后用试验结果验证计算式的适用性。

　　2　现有的极限载荷计算方法

　　内压与弯矩联合作用下三通极限载荷的工程计算是长期以来没有很好解决的问题。研究表明,由于管道三通复杂的受载形式和几何结构,严格的力学分析往往会导致非常复杂的极限载荷解,这并不符合工程的要求。现有的设计规范(如我国动力管道设计手册和美国ASME规范)都采用了简单线性加和的处理办法,然后考虑一定的安全系数,具体的表示形式如式(1)。Nadarajah[6]的有限元结果和Moffat[7]的实验数据都表明,径比d/D较大的三通可以按照抛物线方程计算极限载荷,如式(2)所示;而对径比d/D较小的三通,则可以按照线性方程计算极限载荷。Yahiaoui[8]采用实验手段和有限元方法研究了内压、面外弯矩及其联合作用下含裂纹等径三通的极限载荷,结果表明复杂情况下极限载荷满足式(3)表示的圆方程累积规律;但是由于仅有1个试验结果,上述结论的正确性还有待进一步验证。