含局部减薄弯头的非线性有限元分析

　　弯头是架设管线时不可缺少组成部件,不仅仅用于改变管线方向,并且由于它的刚度低于与之相连的直管,可通过弹性或塑性变形吸收系统中由于热膨胀等因素产生的力、力矩[1].在管道运输中,腐蚀和冲蚀以及机械损伤会对弯头管壁造成凹坑,均增加了弯头发生塑性破坏的机会,使其成为管道中的薄弱环节,同时降低了管道整体的承载能力,为泄漏及爆破等管道事故埋下了隐患.所以弯管质量的好坏与承载能力的高低将直接影响到整个管系的完整性及安全运行.

　　传统的设计弯头的方法要求结构内的最大应力小于材料的许用应力,为了充分发挥管道的承载能力,在保证系统安全运行的前提下,允许管道发生局部的塑性变形[2],因此塑性极限载荷对于长输管道的安全性能评估具有重要参考价值.

　　目前我国对于管道直管段的塑性极限载荷的研究比较成熟,但是对含局部减薄弯头研究涉及较少.国外应用最为广泛的局部减薄评定方法是(ASME/ANSIB31. G-1991)、加拿大管道规范CSA-Z184-M86也都是针对内压作用下直管管壁的局部减薄,对于弯头的局部减薄的安全评定没有明确作出规定[3].因此对含局部减薄弯头塑性极限载荷的研究,是一项急需解决的问题.本文采用非线性有限元方法对内压作用下含局部减薄弯头的塑性极限载荷进行分析,研究内压作用下弯曲半径、局部减薄缺陷尺寸以及局部减薄缺陷的方位对含局部减薄缺陷弯头的塑性极限载荷的影响.

　　1 单一内压作用下含局部减薄弯头的塑性极限载荷

　　理论塑性极限载荷定义为与极限状态相对应的载荷,在极限状态下载荷没有增加,而结构的位移(或应变)却能无限地增加[4].这一定义的前提假设是结构由理想塑性材料构成,且仅考虑小变形情况.与常规弹性计算相比,塑性极限载荷的研究能进一步发挥材料的潜力.

　　目前,对局部减薄弯头塑性极限载荷的研究,国内外仍较少.经研究表明,含局部减薄直管与含局部减薄缺陷弯头的塑性极限载荷存在差距的主要原因是由于应力分布状态的不同,局部减薄弯头的应力状态分布比直管复杂[5].因此,在局部减薄直管有效面积准则基础上,对其应力进行修正,得出局部减薄弯头的极限载荷公式.

式中,Pcr为轴向减薄弯头的极限载荷,P*为无缺陷弯头的极限载荷,R为弯头弯曲半径,t为管子壁厚,r为管子平均半径,R0为流变应力,L为减薄长度,A0为减薄区未减薄前的轴向投影A0=Lt,A为减薄区的轴向减薄投影面积A=Ld.

　　但是上述计算公式缺乏广泛的研究和验证,实际中较少采用,而工程实际中较多的采用有限元方法计算含缺陷局部减薄弯头的塑性极限载荷.本文采用非线性有限元方法分析含局部减薄缺陷弯头的塑性极限载荷.