压弯载荷下底部减薄三通塑性极限载荷分析

　　三通是压力管道中常用的管件之一,主要用于改变管线的走向。由于管系自重、装配偏差、温度变化及支撑地基沉降不均匀等原因,常常承受内压、轴向力、弯矩、扭矩等多种载荷的作用,并且内压和弯矩往往是导致其破坏的主要载荷。由于原材料、制造工艺的影响及使用过程中液体的腐蚀、冲刷,在役三通往往含有气孔、裂纹、局部减薄等缺陷,增加了三通产生局部鼓胀、泄漏及爆破的机会,因此,有必要研究含缺陷三通在复杂载荷下的极限承载能力。

　　三通极限载荷的研究引起了国内外一些学者的兴趣,但目前较多停留在无缺陷受内压作用的三通,对含缺陷三通的研究,也多是针对含裂纹的情况,如Yahiaoui[1]采用实验手段和有限元方法研究了压弯联合载荷作用下含裂纹等径挤压三通的极限载荷; Lynch[2]进行了含裂纹焊制三通的研究,给出其压弯极限载荷遵循圆方程累积规律; Miller[3]提出含裂纹三通极限载荷的保守估算方法,将减薄区壁厚做为无缺陷三通的壁厚,用该无缺陷三通极限载荷值来近似代替含裂纹三通的极限载荷值。现场使用的三通通常承受复杂载荷作用,且表面存体积型缺陷,而有关这种实际工况的研究还很少。

　　笔者采用弹塑性有限元法,针对不同底部减薄缺陷情况,计算三通在内压及弯矩联合载荷作用下的极限载荷,分析不同载荷比例下含不同底部减薄尺寸三通的失效模式,研究各种因素对底部减薄三通极限载荷的影响,并对全部数据进行拟合分析,建立复杂载荷状况下含缺陷三通极限载荷的工程计算方法。

　　一 极限载荷分析

　　1·计算模型及参数选择

　　笔者以工业上常用的等径三通为研究对象建立模型。根据力的作用方向,三通所受外载可分为面内弯矩和面外弯矩2种模式,随机选取12种不同几何尺寸和缺陷尺寸的三通,进行2种弯矩模式作用下的有限元分析[4],结果表明其它条件相同时,面外弯矩作用下的塑性极限弯矩低于面内弯矩。可见三通受面外弯矩比受面内弯矩危险,故笔者研究的外载为面外弯矩的情况。

　　影响含底部减薄三通塑性极限载荷的因素很多,为使研究结果具有代表性,在极限分析中选取载荷比、主管径比K1(Do/Di)、底部减薄轴向尺寸、底部减薄环向尺寸和底部减薄深度等5个参数,讨论不同载荷、缺陷形状对三通极限载荷的影响规律。底部减薄三通的实体模型见图1。

　　图中各参数意义:Do为三通外径, mm;Di为三通内径, mm;T为三通壁厚, mm;B为底部减薄环向半长, rad;L为底部减薄轴向半长, mm;C为底部减薄深度, mm;p为内压, MPa;M为面外弯矩载荷, kN·m。

　　为便于对不同减薄尺寸三通进行比较,对底部减薄的表征采用无量纲化的尺寸,分别表示为:无量纲化的底部减薄环向长度b=B /π;无量纲化的底部减薄轴向长度l=2L/Do;无量纲化的底部减薄深度c=C /T。