含轴向裂纹等径焊制三通的塑性极限载荷

　　油气输送及石油化工行业中的压力管道失效往往导致灾难性事故,其安全可靠性日益引起工程界的重视,如何建立相应的完整性评定规程成为近期国际上的研究热点。断裂试验研究表明,工业中压力管道(包括管件)的失效多由塑性极限载荷控制,因而如何简便准确地估算含缺陷压力管道的塑性极限载荷,成为其完整性评定技术的关键。目前对直管和弯头已作了部分研究工作,但对含缺陷三通的极限载荷分析还少有报道。文献[1]指出,目前有关含纵向平内裂纹三通极限载荷的研究,仅限于四分之一拐角裂纹形式,且支主管的直径比(d/D)小于0·5,石化行业大量采用的等径三通的极限载荷估算方法,还未见报道。笔者采用有限元方法,以含纵向平面内裂纹的等径焊制三通为研究对象,对其内压下的极限载荷与裂纹尺寸之间的关系进行了系统分析,提出了简便可行的估算方法。得出的结果可为含缺陷管件完整性评定提供基础数据。

　　几个简化假设

　　为便于工程应用,从保守角度出发,对含裂纹三通复杂的几何结构和实际材料作如下假设。

　　(1)三通由两个理想圆筒体正交相贯焊制而成,不考虑主、支管的不圆度和加工误差;不考虑相贯线处焊缝对三通强度的加强效应,把整个结构作为薄壁壳体来考虑,且主、支管端部封闭,即考虑内压在轴线方向的作用效果。

　　(2)理想刚塑性材料假设。即认为三通相贯区发生完全屈服前没有弹性变形,忽略压力载荷下三通管件的椭圆化趋势,考虑到材料的应变硬化效应,取流变应力作为理想材料的屈服应力。

　　(3)裂纹尺寸假设。考虑到工程中的实际情况,取轴向平面内关于拐角处对称的裂纹形式进行研究,这是最危险的一种情况。裂纹长度用2c表示,裂纹深度为常数a,即简化为矩形裂纹,工程中的其它表面裂纹形式,都可按R6[2]提供的方法转化为矩形裂纹来表征。

　　有限元分析及结果

　　1·程序及有限元模型

　　有限元程序采用大型通用ANSYS软件,单元类型选用20节点(Solid 95)和8节点(Solid 185)等参元。考虑到含裂纹结构和内压载荷的对称性,可取二分之一的模型进行研究,为了避免约束造成的边缘效应,在主管上增加一长度大于3Do(Do指三通主管外径)的直管段。

　　为减少节点数量,节约计算时间,在主、支管的直管段上采用8节点单元,而在相贯区采用20节点单元,模型共划分单元数2000~3000个。裂纹尖端单元的尺寸随模型的不同而变化。研究表明,裂纹尖端奇异单元的选择与否对结构的极限载荷影响不大,只要选择合适的单元尺寸,便可得到足够精度的极限载荷解。网格划分见图1。有限元模型材料的塑性强化模式按双线性随动强化考虑,相应的机械性能为:弹性模量E=2·07×105MPa,泊松比μ=0·3,屈服强度σy=320MPa。