内压作用下局部减薄弯头的极限载荷及其安全评定

　　1 引言

　　弯头不仅能改变管线的方向,并且由于其刚度低于与之相连的直管,可通过弹性变形吸收系统中由于热膨胀等因素产生的力和弯矩,因此弯头在受压管道系统中是很重要的部件。但管道内流体的高速流动以及流体中所含的异物,都会对管道尤其是弯头产生严重的冲蚀和磨损,其破坏表面通常呈凹坑、条纹或波纹状,造成管壁减薄。管壁减薄降低了管道的承压能力,增加了疲劳裂纹萌生、局部鼓胀、泄漏及爆破的机会,影响着管道的完整性及安全运行。准确地预测壁厚减薄管道的失效,对于管道的维护和安全评定都是非常重要的。

　　现有的管道局部减薄评定规范有:ASMEB31G)1991[1]、加拿大管道规范CSA)Z184)M86[2]、ASME B)PV规范案例N)480[3]、澳大利亚标准AS3788)1990附录N[4]。但这些规范主要针对内压作用下直管管壁的局部减薄,其中都未对弯头的局部减薄的评定做出规定。在API579,1997(草案)[5]中将弯头的局部减薄归为三级评定,在评定时需用数值计算法进行详细的应力分析。在现有的文献中,对弯头局部减薄的研究极少有报道。Daniel[6]认为弯头的弯曲半径大于或等于115倍的直径时,可以用直管的解进行评定。对弯头在内拱的腐蚀,则需要在特定状态下详细的应力分析。

　　弯头应力状态比直管复杂,由图1可见,如采用局部减薄直管的计算方法评定弯管,则对内拱处的局部减薄会不安全,而对外拱处的局部减薄则过于保守。因此对弯头局部减薄的研究是一急需解决的重要问题。本文在对局部减薄直管的极限载荷和无缺陷弯头的应力状态进行研究分析的基础上,提出了内压作用下局部减薄弯头的极限载荷的计算式,并给出评定局部减薄弯头安全性的方法。用公式计算所得结果与有限元分析结果很一致。

　　2 内压作用下局部减薄弯头的极限载荷

　　2.1 内压作用下无缺陷弯头的应力状态

　　等厚度无缺陷弯头在内压作用下的应力大小由薄膜理论得:

　　周向应力分布如图2所示。

　　内拱处周向应力:

　　外拱处周向应力:

　　几何中性线处周向应力:

　　从上可看出弯头的曲率对纵向应力没有影响,其大小与直管相同,而周向应力分布不同于直管,其大小不仅与弯头曲率有关,还与位置角H有关。在内拱处,周向应力最大,外拱处周向应力最小,几何中性线处与直管相同。随着弯曲曲率半径的增大,内拱处周向应力减小,外拱处周向应力增大。

　　2.2 内压作用下局部减薄直管的极限载荷

　　对于局部减薄的分析,通常是把局部减薄投影到轴向、环向,分析考察轴向缺陷和环向缺陷的影响。用轴向投影长度和深度来确定局部减薄的轴向许用长度,用环向投影长度和深度来确定局部减薄环向许用长度,以得到局部减薄的许用范围。对轴向缺陷,主要考虑周向应力。对周向缺陷,主要考虑的轴向应力。在内压作用下,内压产生的周向应力起主要作用,通常主要考虑的是管道的轴向减薄。目前所采用的分析方法从本质上说大多为经验结果。