弯管塑性极限载荷研究进展

　　1引言

　　压力管道包括直管,弯管(弯头),三通等,缺陷类型包括纵向和周向缺陷。含纵向面型缺陷直管的塑性破坏主要取决于内压大小,不受弯曲载荷的影响,其安全评定技术和压力容器完全相同。因此从八十年代开始,周向面型缺陷直管的塑性极限载荷的研究就成为国外研究的热点,取得了许多研究成果,并形成了一系列实用的工程评定规范,如英国的缺陷评定规范R6。

　　弯管(弯头)是管线中一个重要的组成部分,由于它的中心线存在曲率半径而表现出与直管不同的性能,弯管的性能主要与弯管的两个几何参数:相对弯曲半径R0/r和弯管几何因子h(h=R0t/r2)有很重要的关系。弯管不仅能改变管线的方向,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。因此弯管可能受到的载荷有内压、弯矩、扭矩、自重等,这些载荷作用下的管线中的最大应力往往在弯管处,使无缺陷弯管的极限承载能力低于直管,并且由于缺陷常在应力最大处产生,在弯管中产生裂纹,局部凹坑等,所以弯管是管线中最薄弱的部分。利用缺陷评定规范R6对弯管上的缺陷进行评定时,也要和直管评定方法一样,需要知道弯管的四个参数,应力强度因子(SIF),材料断裂韧性,外载荷和塑性极限载荷。这四个参数中的断裂韧性由材料性能确定,外载荷由实际工况确定,只有应力强度因子和塑性极限载荷与弯管结构尺寸、缺陷的类型和尺寸有关。弯管的应力强度因子研究已比较成熟,但由于弯管的结构复杂,其塑性极限载荷的研究还不多,主要总结如下。

　　2无缺陷弯管的塑性极限载荷

　　(1)内压作用

　　将弯管看成是环壳的一部分(图1),不考虑边缘力的影响,求出等厚弯管周向应力σφ和纵向应力σθ与内压p及弯管几何尺寸之间的关系为:

　　使用弯管的膜应力解式(1)可获得等厚弯管的塑性极限压力的下限值po为:

　　(2)平面内弯曲载荷

　　弯管在平面内弯曲载荷M作用下的弹性应力分布规律已有许多研究人员进行了分析,如Clark和Reissner[1]研究表明当弯管几何因子h 0.5时,最大弹性应力是几何中性线处的周向弯曲应力σφbc,所以最容易在弯管的几何中性线处产生缺陷,如果将弯管看成受弯曲的梁,那么最大应力将在内拱线或外拱线处,显然与事实不相符,所以弯管所展现出的力学行为与直管完全不同。

　　可以应用弹塑性理论、数值方法和试验方法确定平面内弯矩作用下无缺陷弯管的塑性极限载荷,这方面的工作已有比较多的文献进行了报导。如1973年Spence[2]等利用蠕变分析方法得到的塑性极限弯矩Mo为式(4)。ASME锅炉压力容器规范中将它作为弯管的塑性极限弯矩的计算式。