不等厚性对弯头应力分布影响的有限元研究

　　弯头不仅能改变管线的方向,还可以提高管路柔性,缓解管道振动和约束力,并对热膨胀起补偿作用,因此弯头是受压管道中很重要的部件[1]。管线的最大应力一般发生在弯头处,所以弯头是管线中的薄弱环节。目前对弯头的受力分析大都近似将其看成是受内压的压力容器来考虑[1],并且不考虑其壁厚的变化,但是弯头壁厚的不等厚性是客观存在的,它必将改变弯头应力的分布。本文通过有限元分析的方法研究壁厚改变对弯头应力分布的影响。

　　1　成形工艺对弯头壁厚减薄量的影响

　　弯头的加工工艺根据弯曲时是否加热分为热推和冷弯两种。热推法是将切割完的管坯装入芯模,用专用推制机进行连续加热、扩径,最后弯曲成形。冷弯成形时,管子的一半卧于弯管机的槽内,另一半被带槽的小滚轮压住,管子受推力使盘状弯模从动旋转而将管子推制成形。下面分别对热推、冷弯弯头的壁厚进行了调研,数据如表1、2所示,测量点如图1。

　　对于化工管道中的弯头,一般允许的弯头减薄量要求控制在15%以内。从上面两表可以看出,热推工艺加工的弯头基本可以保证合格,而冷弯的弯头壁厚改变量则较不稳定。热加工工艺的壁厚减薄量明显低于冷加工工艺。就热推的弯头来讲, 41点也就是热推的末端内弯处的增厚量是最大的,这是由热推的工艺决定的。热加工工艺弯头壁厚改变规律是:从21点至41点壁厚逐渐增厚,且同一截面内弯处的壁厚改变量大于外拱处的壁厚改变量。对于冷弯的弯头,它的壁厚最大处发生在31点,即45°内弯处,而两端的壁厚值近似对称分布,这也是符合冷弯成型规律的。它在同一截面处同样是内弯处的壁厚增加量大于外拱处的减薄量。

　　2　弯头应力的有限元分析

　　按弯头最大减薄量分别为5%, 15%, 25%, 30%建立模型,与均匀壁厚模型的应力分布情况进行比较,考虑弯头减薄对弯头受力的影响。

　　2. 1　有限元模型的建立

　　本文弯头模型采取一端加直段封头另一端加约束的模式,管材选用优质碳素结构钢(20#钢),管件内压载荷取4MPa,只考虑弯头在内压作用下的应力状况。由于弯头结构本身的对称性和所受载荷的对称性[2],选取通过弯管轴线和内外拱线的纵向截面的1/2结构为计算模型,选用solid45单元进行计算。共建立8个模型,如表3所示。

　　2. 2　网格划分

　　通常在应力比较大或应力变化比较大的区域,有限元网格应比较密。通过分析可知,弯头内弯侧应力比较大,而直管与封头连接处由于形状不连续,所以这两处网格划分较密。本文采用ANSYS程序进行有限元计算,网格划分如图2所示。