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    内压下焊制管道三通塑性极限

    2019-05-07   来源:   点击数:0次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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     中国钢管信息港办公室获悉:在性能优异的涂层中选择熔结环氧粉末涂层与三层结构可有一比较,无论性能和价格,双层熔结环氧粉末涂层看来是最优的。可优选为“西气东输”工程的外防腐层。据报道,“西气东输”将建管道4认为除山地多石地带,在高原和华东地区完全可以采用双层环氧粉末外防腐涂层,市场份额在30%以上。按此市场份额计算则有1250km的市场,按01118mm计算,可实现产值2.634亿元,毛利1.229亿元;比三层结构外防腐涂层节省1.317亿j元。
      
      双层三层结构涂敷工艺控制性涂敷工艺简易性与阴极保护相容性抗阴极剃离性能抗水渗透性能耐高温性能抗物理损伤性能现场补口性能阀门和接头涂敷性能低温柔韧性能表3项目材料费防腐层设备和工艺适用范围双层粉末喷涂机,工艺简单直管,弯管,接头三层结构喷涂机2台挤出机,工艺复杂直管
      
      在物料输送和工业生产中起着不可替代的作用,其失效破坏往往会导致整个生产系统的瘫痪,给人民生命财产造成不可估量的损失,因而其强度设计和安全使用是工程师们非常关心的问题。由于几何结构不连续,三通主、支管相贯区的应力分布复杂,难以按照常规的应力分析方法进行设计。ASME锅炉压力容器规范核容器分卷第* -4176款及我国的钢制压力容器分析设计规范都规定,如果能够证明外载荷不超过其极限载荷下限值的23,则局部膜应力以及一次膜应力加上一次弯曲应力的强度条件不需要满足。可见管道三通的极限承载能力是工程中重要的设计参数,具有极大实用价值。求取三通极限载荷的解析题,需要进行三维弹塑性分析并考虑多个几何尺寸的影响,在现有条件下还非常困难。现代计算机的发展和有限元方法的完善,使得人们获得三通管件极限载荷的数值解成为可能。
      
      中国钢管信息港办公室获悉:针对焊制三通的强度问题开展了研究,我国八十年代初期也进行了该问题的探讨,并取得了大量的成果。但由于各种条件的限制,研究内容主要局限于弹性应力范围内的应力应变测试和有效数值计算方法的探讨。很少涉及到极限载荷分析,也没有给出满足工程应用的理论分析解。最近Plancq等人对管径比为0.5的三通进行了极限压力的有限元分析,给出了一些有益的结论。
      
      对内压下管径比!0.5的焊制管道三通极限载荷进行了系统的分析,研究了相贯区应力分布规律以及随着内压的升高三通塑性区的扩展情况,并根据载何-变形曲线确定了塑性极限载荷,本文结果可为焊制三通的设计提供一些基础性的数据。事实证明,有限元法是一种行之有效的极限载荷分析方法,它比实验方法经济,且能满足工程上的精度要求。
      
       2.1模型及材料2计算软件及方法有限元程序采用大型通用ANSYS软件,为了得到良好的收敛解,计算过程中采用了小变形假设。非线性计算米用修正的Newton-Rapson方法,其特点是具有二阶收敛性,对小挠度和小应变非线性问题可以提供更加稳定的分析结果。对于判断非线性迭代近似解可接受程度的收敛准则,本文采用力和位移判据,取最大残余力与最大反作用力之比<0.01,可以充分满足计算精度要求。
      
      用增量非线性有限元分析结构的极限载荷,要以增量的形式施加外载荷。由于在非线性问题的整个加载历程中非线性程度的不均匀性,如采用固定的等步长加载方式,加载步长过小时会增大计算的工作量,当加载步长太大则会造成一些增量步内非线性程度过高,出现收敛困难,甚至发散。鉴于此,本文采用弧长控制的自适应加载的Chriesfield方法。
      
      2.3单元及网格划分考虑到几何形状及内压载荷的对称性,取三通管件的14作为计算模型进行分析。单元类型采用了20节点等参单元(Solid95,它是节点数可变的曲面块单元,能够较好地描述三通复杂的几何性状,具有适应单元疏密过渡的能力。根据应力梯度大小确定网格疏密程度,在主支管相贯区采用加密网格,而在过渡区较远的端部则采用单层网格,以减少计算时间。单元网格划分见。
      
      4载荷及边界条件对于有限元模型的约束条件,根据结构对称性,在纵向平面(xoy和横向平面(yoz内的对称面上约束其法线方向的位移。此外,在三通主管端面上固定其径向平面内的y和z方向的位移,而对于轴向x向的位移不加约束,这种约束方式不影响主管端部轴向载荷的作用效果。为了避免外部约束导致的边缘效应的影响,在主管上增加一长度大于2.5的直管段。
      
      内压载荷均匀施加于模型的内表面。同时,为了模拟三通主、支管端部封闭的情况,把轴向压力载荷折算为作用在主、支管端面上的均布拉力,见。
      
      计算结果及讨论3.1极限载荷极限分析中,经典的极限载荷定义是一个数学上的、理想化了的概念。在极限状态下,结构承受的载荷没有任何增量而结构的变形却无限增加。这一定义的前提条件是假设结构由理想塑性材料制成,且仅考虑了小变形情况。而事实上,由于材料的应变硬化效应和结构的几何强化及弱化效应,理想状态很少发生,因此工程上一般认为结构发生显著的整体塑性变形时对应的载荷,就为实际结构的塑性极限载荷。
      
      我国分析设计标准和ASME规范都规定,确定结构极限载荷点的变形或者应变,应该能够反映结构的承载能力。有限元计算结果表明,极限压力下三通腹部相贯线交点A处的径向位移、纵向平面内的拐角处B点的等效塑性应变以及三通支管端部C点L轴向位移均I发生t了1较为显著的改(变W能够反映三通的承载状态。本文利用ANSYS后处理程序,得到了上述各关键点处的位移*或应变,并绘制了相应的载荷-位移(应变曲线。从理论上说,由于本文有限元分析采用了理想弹塑性材料和小变形假设,因而三通可以承受的最大压力即为极限载荷。这里从工程角度出发,采用我国分析设计标准和ASME规范推荐的两倍弹性斜率准则确定极限载荷值,计算结果表明在本文分析中两种方法得到的结果相差不大。
      
      为方便表达,工程上一般采用了与三通主管同直径直管的理论极限解来对三通的极限压力进行归一化处理。直管极限载荷理论解可由下式得到:表1有限元计算模型尺寸及计算结果试件号比值注:表中有限元数值解为采用两倍弹性斜率法得到的结果,直管理论解由公(!0.5的三通管件,其极限压力与相应的直管理论解相比都受到了不同程度的减弱,三通各结构尺寸*对极限压力有一定的影响,二者并没有明显的函数关系。
      
      和5分别为本文得到的等强度焊制三通(*极限压力随尺寸参数(和(的变化关系。可以看出:①结构参数(对三通极限压力的影响比管径比(显著,随着径厚比(的增大,三通极限压力显著下降,而管径比(的增加,三通极限压力变化不大,这与通常认为径比(是影响三通强度的最大因素观点不一致。②在本文研究范围内(!0. 5,随着(的增加,三通极限压力有一个增大的趋势(如中,曲线(=1.0>曲线(=0.83>曲线(=0.65,并且三通主管壁厚越薄,这种趋势越明显,这与工程认为等径三通与直管相比削弱程度最大的观点不一致。③计算结果表明主、支管的厚度比*对三通极限压力有较大的影响,其他条件一定时,增大支管厚度能明显提高三通的极限承载能力,如表1中的T22和T24,T32和T34.这与我国水管锅炉受压元件强度设计标准中推荐优先采用支管壁厚加强的三通设计思想吻合。
      
      3.2计算结果的试验验证1994-201图和!1极限压力随厚比的变化关系如此此WishingHouse.A图igh极限压力随管径瓶的变化关系iki.netbookmark1衡量有限元结果准确性最直接、最可靠的方法就是模型试验。这里直接引用了上海成套设备研究所已有的焊制三通试验结果来验证本文有限元方法的可靠性。整体屈服试验模型为等径焊制三通,材料8(德国标准DIN17175无缝钢管,采用手工氩弧焊接。为消除焊缝的加强作用,相贯线处的焊缝依样板磨至与支、主管表面平齐。考虑到边缘应力对三通强度的影响,在主、支管的端部分别焊接长表2三通试样的化学成分和机械性能碳锰娃硫磷弹性模量屈服强度破坏强度延伸率截面收缩率475mm的直管段。模型材料的机械性能和化学成分见表2, 整体屈服试验介质为水,试验过程中采用手泵缓慢分步加压至三通爆破,同时纪录进液的体积增量和压力值,得到了相应的压力-体积增量关系曲线。在压力与进液量关系曲线上采用两倍弹性斜率法便得到三通的整体屈服压力。表3为上述试验结果与本文采用小变形三维有限元方法得到的数值表3三通试验结果与有限元结果的比较试件号D(mm试验值(MPa有限元解(MPa误差%注:三通塑性极限压力试验值为作者根据文的2采用两倍弹性斜率法得到。
      
      解,二者误差不到10%,可见本文的有限元分析方法能够得到与实验模型较为一致的结果。
      
      3.3单元类型对计算结果的影响为研究不同单元类型对有限元分析结果的影响,本文选用了三维8节点参元(Solid45和20节点参元(Solid95对表3中的试件A进行了分析。由计算结果可以看出,采用8节点等参元得到的结果为12.3MP-,而采用20节点等参元得到的计算结果为12.1MPa,与实验结果相比(表3二者相差不大,只是20节点得到的结果更稳定、可靠,在塑性阶段更能反映全面屈服的现象,因而本文以下都采用了20节点等参元进行计算。中国钢管信息港办公室获悉
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