90_管弯头的应力分布

90_管弯头的应力分布 ·!"· 化工设备与管道第#$卷 !"#管弯头的应力分布徐思浩（南京化工大学机械工程学院，南京%&’’’(）摘要对管弯头在各种载荷工况下的应力分布进行分析研究。用有限单元法对常用的二种(’管弯头作了计算和分析，得到应力分布的一般规律，为正确选用合理的弯头结构形式，提供可靠的依据。关键词管弯头应力分布有限单元法 & 引言管弯头是各种管路系统的重要管件之一，除了用作为改变介质流动方向外，还起到提高管路柔性，缓解管道振动和约束力，对热膨胀起补偿等作用。管弯头使用...

·!"· 化工设备与管道第#$卷 !"#管弯头的应力分布徐思浩（南京化工大学机械工程学院，南京%&’’’(）摘要对管弯头在各种载荷工况下的应力分布进行分析研究。用有限单元法对常用的二种(’管弯头作了计算和分析，得到应力分布的一般规律，为正确选用合理的弯头结构形式，提供可靠的依据。关键词管弯头应力分布有限单元法 & 引言管弯头是各种管路系统的重要管件之一，除了用作为改变介质流动方向外，还起到提高管路柔性，缓解管道振动和约束力，对热膨胀起补偿等作用。管弯头使用极为广泛，所采用的材料及制造方法也呈现多样化。然而，管弯头由于结构简单，其应力分布尚为人们所忽略，在决定管弯头的结构尺寸时，一般将其近似地看作为受内压作用的容器来处理。不考虑在实际运行中的管件，由于压力、温度的波动，流体的流动方向改变所产生的离心力，以及几何尺寸、制造、安装及其它种种因素所造成的外加载荷的作用的影响。也就是说，管弯头除了受内压作用外，还可能受到来自各个方向的力和力矩的作用，以及各种管道支架的支反力的作用等，因此)弯管所受到的载荷工况是比较复杂的。本文以常用的二种(’*管弯头为分析对象，将内压以外的各种外加力和力矩的作用，简化为弯管一端的平面内弯矩、平面外弯矩和扭矩，而管弯头在弯制过程中所造成的壁厚变化和流体的流动方向的改变所产生的离心力等影响则没有考虑在内。 % 计算模型工程中，实际使用的管弯头的结构形式很多，本文研究的是二种常用的(’*弯管头，见图&所示。图&中，（+）可以用无缝钢管弯制而成，也可冲压后焊接而成，可用于中压管路中。（,）称焊制管弯头，也称虾米管，有(’*、-’*、./*等几种，本文对这二种弯头的一些常用规格进行了有限单元法应力计算，详细尺寸见表&。0’为管子外径，1为弯曲半径， !为管壁厚。 2+3 2,3 图& 二种常用管弯头表$ 常用管弯头尺寸%% 04 05 1 ! 无缝弯头 %’’ %&( #’’ - .’’ %/’ %6# #6/ 6 #’’ #%/ ./’ $ -’’ #/’ #66 /%/ ( .’’ .%- -’’ &’ $’’ 焊制管弯头 %’’ %&( #’’ - .’’ %/’ %6# #6/ 6 #’’ #%/ ./’ $ -’’ #/’ #66 /%/ ( .’’ .%- -’’ &’ $’’ ./’ .6- -6/ && # 载荷和约束管弯头除受内压作用外，其它外加载荷简化为平面内的弯矩78)平面外的弯矩79和扭矩7:。弯头 ·!"·#$$%年第&期的一端作固定端处理，另一端施加力矩。见图#。图# 弯头的载荷和约束为消除端部对弯头区域的影响，弯头二端的直管长度均在’倍的管直径以上。 & 计算结果与分析计算结果用应力集中因子( 表示： ()!*+,-!$ 式中!*+,.最大应力； !$ .直管周向薄膜应力。无论是无缝弯头，还是焊制管弯头，根据有限单元法结果分析，其应力变化的总的趋势是相似的，在弯头区域，应力集中现象比较明显，内侧面（即朝向曲率中心的那一侧）的应力要高于外侧（背向曲率中心的那一侧）与无缝弯头相比较，焊制管弯头的应力集中现象更为明显，故下面以焊制管弯头的应力分布为例，进行分析和讨论。图/ 不同0的应力图1 23、24作用下最大应力在内压作用下，焊制管弯头在几个焊接处，由于几何形状不连续，存在明显的应力集中现象，二侧相比，弯头的内侧即朝向曲率中心的那一侧的应力水平普遍高于外侧。这从图’中可清楚看到。尤其是在几何形状不连续处，更为突出，图&是三处几何形状不连续处截面的应力变化，同样可以看到内侧应力要比外侧高。在图 /中，二个公称直径均为#$$**，但弯曲半径0不同的管弯头计算结果比较5弯曲半径愈小，则应力集中因子愈大，局部位置的应力集中因子超过%6/。图1为管弯头受到平面内的弯矩23和扭矩24 作用下，所产生的最大应力沿着弯管轴向的变化，几处几何形状不连续位置的应力出现峰值，而平面外的弯矩27产生的应力值相对较小，没有标注在图中。 / 结束语管弯头，尤其是焊制管弯头，由于焊接处的几何形状不连续，将产生较高的应力集中，因此对这种管件的工作压力和工作温度，必须作出严格的规定。本文中所计算的一些管弯头，在内压8)#6/29+作用下，应力集中因子超过%6/，有必要根据材料的许用极限和应力分类，决定是否合用。根据应力分析，无缝弯头的应力集中现象好于焊制管弯头，但从制造方面看，无缝弯头，尤其是当直径较大时，弯制工艺要求较高，弯制后的管壁，特别是朝向曲率中心的一侧，容易产生皱褶，而外侧的壁厚可能比未弯制前减薄，内侧局部变厚，横截面产生一定的椭圆度，显然这些制造带来的缺陷，将给应力分布产生不良的后果，而这些影响在本文计算中尚没有计及。而焊制管弯头的应力集中主要是由于几何形状不连续所产生，在其内侧比外侧的应力要高一些，如果能在内侧的几何形状不连续处改成圆弧状过渡，例如用补焊的方法，可使最大应力下降。据初步计算，可下降’—1:。据报道，一些蒸汽管路的弯头的拱背处和拱腹处，过早出现广泛的蠕变损伤，有的出现纵向裂纹，从而引起一定场合下的失效，有的文献指出蒸汽汽包的封头出口处的第一个弯头是失效的危险位置之一，由此可见，管弯头的应力水平的分析研究，对整个装置、设备的安全运行，有着十分重要的意义。参考文献 % (62+;<==>?6@A=B2CD;>CE;DFGHI>=*JCE9;8;DFGHI>=*I;DKCII;< K;E=L9CB=E9<+D>I5MD>6N69E=I6O=II6P9;8;DF11Q%RR1S’$/T’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’( %, F4XH 426" H+% ?2+0Y20 =>"E2+03 <%03’%03 4>+&/+B"5-2B+; 4;+(-2B Z+B-%&# [5+03#+0 \J]KIK .I :?HC ;F:HE<@R :?@ E?;F;E:@FHC:HEC ;IB :?@ C:FLE:LF@ 1D :?@ A@:?1BC OK LCHIJ U;ELLA ;IB E1AGF@CC@B ;HF :1 C?;G@ :?@ )"0% GHG@ M@F@ HI:F1BLE@B3 Z: :?@ C;A@ :HA@CR :?@ F@<;:H1IC?HG 1D :?@ @QLHGA@I: G;F;A@:@FC HI :?@ )"0% GHG@ GF1BLE:H1I [";2B+; 720" F("’ 20 R%-+-2%0 H%/6&"((%& +0’ 45/6( 1%03 H>+03(+0 S"E203 1"(230 @0(-2-5-"T *@D^4CH S"2E203 JKKKJJ ,?@ C:FLE:LF@R C@;< A@E?;IHCA ;IB E?;F;E:@FHC:HEC 1D :?@ @IB C@;< MH:? ?@ .*AC B%’" _5 =>5:2 *>+03>+2 *"- 1"(230 @0(-2-5-" %, 4%$"& C:526/"0- *>+03>+2 IKKIWK .I :?HC ;F:HE<@R :?@ F@QL@C:C HI C@<@E:HIJ C:;HI<@CC C:@@< M@+03>+2 *56"&G2(2%0 S5&"+5 %, 8"B>0%;%3# .I :?HC G;G@FR :?@ E1<<@E:@B HID1FA;:H1I 1D E1FF1CH1I D;H 8"/6"&+-5&" +0’ CY6&"((2%0 A"->%’ =>+03 =>"03Y2T _+03 *>5 Q+03a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